Performance analysis of repaired carbon fiber composite materials which have been manufactured in aerospace industry

Abstract

Gelişmiş kompozit malzemeler her geçen gün üretim sektöründe kendine daha çok yer bulmaktadır. Havacılık, otomotiv, taşımacılık ve spor ürünleri de dâhil olmak üzere geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Günümüzde havacılık endüstrisinde birçok parka kompozit malzeme kullanılarak üretilmektedir. AIRBUS ve BOEING gibi havacılıkta yeniliklere öncülük eden firmalar havacılık endüstrisinde elevator , fairing , kanat, spoiler, gövde ve birçok alt gövde parçasını kompozit'ten üretmeye başlamışlardır. Türkiye'de havacılık sektörünün önde kuruluşu TUSAŞ da yeni nesil temel eğitim uçağı HÜRKUŞ ve orta irtifa uzun havada kalışlı İnsansız Hava Aracı Sistemi ANKA gibi birçok ürünün tasarımında kompozit malzeme teknolojisine yer vermiştir. Kompozit malzemelerin başlıca avantajları yüksek mukavemet, hafiflik ve korozyon dayanımının yüksek olmasıdır. Havacılık sektöründe kompozit malzemelerin onarılması çok karşılaşılan bir durum olduğu gibi kompozit malzeme ile çalışmanın başlıca zorluklarından birisi olmuştur. Kompozit malzemenin kullanım alanının artması, kanat, silah sistemleri gibi kritik parçalarda da kullanılmaya başlanması ile birlikte onarım görmüş malzemelerin onarım sonrası mekanik davranışları ve dayanımları da gün geçtikçe daha çok önem kazanmıştır. Hatalı yapılmış olan bir onarım felakete sebep olabilir. Onarımlar uçağın ömrü boyunca orijinal malzeme ile aynı mekanik özellikleri sağlamalı ve bu özellikleri korumalıdır.Bu tezin amacı, onarımların bu kadar kritik rol oynadığı havacılık sektöründe sıklıkla kullanılmakta olan karbon fiber kompozit malzemelerin onarım öncesi ve sonrası mekanik karakterlerini karşılaştırarak onarımın, özellikle havacılıkta çok kullanılmakta olan `Scarf` onarım tipinin mekanik özelliklere etkilerinin araştırılmasıdır. Test parçası olarak tamamı tek yönlü dizilime sahip ABS5139C1219A (AIMS 05-01-001) Karbon-Epoksi malzemeden, 0-90°, 15°, 30°, 45° ve 60° derece yönlerinde dizilerek üretilmiş 12 katmandan oluşan kompozit malzemeler kullanılmıştır. Fiber diziliminin değişken olarak belirleyici olmaması amacı ile dıştan içe 6 katman simetrik olarak dizilim tercih edilmiştir. Elimizde bulunan farklı açılarda üretilmiş kompozit test numunelerinin yarısına onarım yapılmış, 6 katman derinliğe inen bir hasar simüle edilerek onarım yapılmıştır. Onarımlar sırasında kaldırılan katmanlar ile onarım katmanları aynı yönde serilmiş ve tekrar otoklav ortamında kür edilmiştir. Onarım öncesinde ve sonrasında tahribatsız muayene yöntemlerinden ultrasonik muayene yöntemi ile kompozit malzemenin birleşme kalitesi kontrol edilmiş, malzemelerde herhangi bir hataya rastlanmamıştır. Üretilmiş olan kompozit malzemelerin onarım yüzeylerinden alınmış olan kesitler Gazi Üniversitesi Biyoloji Bölümünde bulunan SEM (Scanning Electron Microscope) mikroskopunda 5-10 kV voltaj altında incelenmiş, gözlem ve tespitler tez içerisinde belirtilmiştir. Tez sonuçları incelendiğinde karbon fiber yapılı kompozit malzemelerde yapılan onarımın parçanın mekanik özelliklerine doğrudan etki ettiği, dizayn ve onarımdan sorumlu mühendislerin analizlerini yaparken onarımın etkilerini özenle değerlendirmeleri gerekmektedir. Anahtar kelimeler: Kompozit malzemeler, karbon fiber kompozit malzemeler, scarf onarım, kompozit malzemelerde onarım.

Advanced carbon fiber composites are becoming more important in the maintenance and used in a wider range of applications in aeronautical, marine, automotive, surface transport and sports equipments. Repair of these composite materials has always been an important challenge in aerospace structures. The repair must cover the service and specific requirement of the remaining life of the aircraft structure. In my thesis, performance analyses of repaired carbon fiber composite materials were studied and compared with original ones. The entire test parts were manufactured from unidirectional carbon fiber materials. Fiber orientations were chosen as 0°-90°, 15°, 30°, 45°, and 60° vertical degrees. Each composite part was manufactured with 12 plies. 6 plies were removed and replaced on scarf repair operation. All the parts (original and repaired) were tested on tensile testing method and repair area was inspected by ultrasonic NDI method. After repair of our test parts, section of each ply orientation was examined with Scanning Electron Microscope (SEM).Test specimens were cleaned and coated with gold in a Polaron SC 502 sputter coater and examined with SEM in Gazi University, Department of Biology. The result of this study revealed that the repair operations could affect the mechanical properties on the part. Designer and Material Review Board Engineers should make a strong analysis of the repair operation and its affects carefully.Keywords: Composite repair, scarf repair, tensile strength of repaired part, composite materials, carbon fiber composite materials.