AMT  111  Advanced  Composite  Materials  

Chapter  7  

Composite  Lab  Safety  •  Eye  protec=on  

!  Protect  from  chemical  splashes  

!  Protect  from  dust  generated  by  cuAng  or  sanding  

•  Respiratory  Protec=on  (mask)  !  Protect  from  dust  generated  by  cuAng  or  sanding  !  Use  vacuum  when  using  power  tools  

•  Skin  protec=on  !  Use  gloves  and  protec=ve  clothing  !  Wash  hands  aIer  handling  material  

AircraI  Control  Surfaces  

Vertical Stabilizer

Horizontal Stabilizer

Wing

Fuselage

AircraI  Axes  

AircraI  Axes  •  Lateral  Axis  

!  Also  called  the  pitch  axis  

•  Longitudinal  Axis  !  Also  called  the  roll  axis  

•  Ver=cal  Axis  !  Also  called  the  yaw  axis  

AircraI  Structures  

A  true  monocoque  structure  has  bulkheads  and  formers  to  give  the  structure  its  shape,  but  all  of  the  flight  loads  are  carried  in  the  thin  sheet  metal  skin.  

AircraI  Structures  

A  semimonocoque  structure  carries  the  flight  loads  in  its  outer  skin,  but  this    thin  skin  is  backed  up  with  stringers  that  extend  across  the  formers.  

AircraI  Structures  

The  reinforced  shell  is  the  most  generally  used  type  of  construc=on  for  modern  all-­‐metal  aircraI.  

Stress  

Compression  &  Tension  

Compression  &  Tension  

Diamond  Construc=on  •  Video  

Composite  Structures  •  Advantages:  

!  Complex  shapes  

!  Labor  savings  !  Moistures  resistant  !  Weight?  

•  Disadvantages:  !  Complex  repairs  

•  The  method  of  repair  will  vary  from  aircraI  to  aircraI  

!  Separa=on  of  layers  •  Electric  shielding  layer  can  be  an  issue  

!  Corrosion  when  ma=ng  with  metal  (carbon  fiber)  !  Sun  and  heat  deteriora=on    

Composite  Structures  •  Components:  

!  Fiber/reinforcing  material  •  The  real  strength  

!  Matrix  (glue)  

•  Recipe  or  formula:  !  Fiber  

•  Type  •  Orienta=on  &  weave  •  Layering  •  Placement  

!  Matrix  •  Curing  process  

Fiber  Defini=ons  •  Fiber  -­‐  reinforcing  material  

!  Main  strength  runs  along  the  length  of  the  fiber  

•  Roving  –  a  group  of  fiber  filaments  

•  Tape  –  unidirec=onal  (one  direc=onal)  mat  of  fibers  

•  Fabric  –  bidirec=onal  (two  direc=onal)  mat  of  fibers  !  Warp  –  longitudinal  –  length  wise  

•  Usually  the  main  direc=on  of  strength  

!  Fill  (also  called  weI)  –  transverse  –  across  the  length  !  Bias  -­‐  45°  to  warp  

Tape  and  Fabric  

Warp  and  WeI  

Unidirec=onal  Tape  

Bidirec=onal  Fabric    

Fabric  Layout  

Warp  Clock  

Fiber  •  Fiberglass  

!  Thin  fibers  drawn  from  molten  glass  

!  Shiny  white  !  E-­‐glass    

•  Low  cost  !  S-­‐glass  

•  High  tensile  strength  and  s=ffness    

•  Aramid  fiber  !  Kevlar  !  High  tensile  strength  and  flexible  

!  Yellow  

Reinforcing  Material  •  Graphite/Carbon  Fiber  -­‐  Video  

!  Light  and  s=ff  

!  Used  to  add  rigidity  to  structures  !  Electrically  conduc=ve  

•  Caused  corrosion  when  in  contact  with  metals  !  Titanium  or  CRES  fasteners  

•  Causes  issues  for  radio  equipment  

!  Very  expensive  

!  Black  

•  Lightning  Protec=on  Fibers  (layer)  !  Nickel-­‐coated  graphite,  metal  mesh,  aluminized  fiberglass  or  conduc=ve  paint  

Reinforcing  Material  •  Fiber  Orienta=on  

!  Greatest  strength  and  s=ffness  parallel  to  fiber  

!  Random  fiber  orienta=on  or  mats  usually  not  used  in  avia=on  

!  How  a  fabric  is  woven  determines  the  strength  of  the  material  •  Also  determines  the  direc=on  of  the  strength  

!  Fiber  layers  are  placed  in  different  direc=ons  to  improve  strength  •  A  warp  clock  (compass)  is  used  to  determine  the  direc=on  

!  FAA  say  the  strongest  in  the  warp  direc=on    

Matrix  Materials  •  Glue  •  Only  job  is  to  link  the  fibers  •  Minimize  the  amount  to  reduce  weight  

!  FAA  says  60:40  fiber  to  resin  ra=o  

•  Mix  only  what  is  needed  !  Pot  life  -­‐  The  length  of  =me  a  resin  will  remain  workable  aIer  the  catalyst  has  been  added  

!  Too  much  matrix  will  cause  thermal  runaway  

•  Follow  direc=ons  •  Only  way  to  test  is  to  make  a  test  piece  

Matrix  Materials  •  Polyester  

!  Two  part  •  Resin  •  Catalyst/ac=vator  

!  MEKP  -­‐  Methyl  Ethel  Ketone  Peroxide  

!  Used  at  ra=os  of  greater  than  100:1  

!  Can  be  thinned  

!  Easy  to  color  !  Surface  must  be  sealed  before  it  will  fully  cure  

•  Mold  surface,  wax  addi=ve  or  PVA  (polyvinyl  alcohol)  

!  Not  as  strong  as  epoxy  !  Cheaper  than  epoxy  

Matrix  Materials  •  Epoxy  

!  Two  part  •  Resin  •  Catalyst/hardener  

!  Use  in  ra=os  closer  to  1:1  or  2:1  

!  Ra=o  must  be  exact  !  No  thinning  !  May  require  heat  to  cure  

!  Follow  instruc=ons!  

Matrix  Materials  •  Prepreg  –  fabric  that  is  preimpregnated  with  matrix  !  Speeds  up  manufacturing  process  !  Raw  material  is  refrigerated  and  has  very  limited  life  span  

!  Cured  with  heat  and  pressure  •  Large  autoclaves  are  used  to  cure  parts  

Compression  &  Tension  

Compression  &  Tension  

Core  Material  •  The  outer  skins  of  a  structure  carries  most  of  the  load  

•  Adding  distance  between  the  outer  skins  can  strengthen  a  structure  without  adding  weight  

•  The  inner  por=on  of  structure  transfers  load  to  the  outer  skin  

•  Core  material  is  used  to  transfer  loads  to  the  outer  skins  

•  Core  material  adds  distance  between  outer  skins  

•  Core  material  is  lighter  than  the  composite  material  –  high  strength  to  weight  ra=o  

Core  Material  •  Balsawood  

!  The  grain  must  be  perpendicular  to  the  outer  skins  

•  Foams  !  Styrofoam  (polystyrene)  

•  Cut  with  hot  wire  •  Can  not  be  used  with  polyester  resin  

!  Urethane  •  Fuel  proof  •  Can’t  be  cut  with  hot  wire  •  Can  be  used  with  epoxy  or  polyester  resin  

Core  Material  •  Honeycomb  

!  Aluminum,  paper,  fiberglass,  stainless  steel,  and  Nomex  (aramid)  

!  Very  high  strength  to  weight  ra=o  

!  If  repairing  aluminum  core,  prime  the  repair  with  a  corrosion  inhibitor  and  seal  from  the  atmosphere  

!  If  nonsymmetrical  palern,  the  repair  must  replicate  the  original  orienta=on    •  Honeycomb  core  material  has  strength  parallel  to  the  ribbon  direc=on  

!  Line-­‐up  in  ribbon  direc=on  when  repairing  

Ribbon  Direc=on  

Filler  Material  •  Thickens  matrix  •  Microspheres  or  micro-­‐balloons  

!  Tiny  hollow  glass  balls  

!  Very  light    •  Reduces  the  density  of  a  matrix  mix  

•  Improves  strength  to  weight  ra=o  •  Adds  some  flexibility  

!  Reduces  stress  risers/concentra=on  

•   Chopped  fiberglass  or  flox  (colon)  !  Adds  strength  

•  Talc  •  Cab-­‐o-­‐sil  -­‐  silicon  dioxide  

Manufacturing  Methods  •  Wet  Lay-­‐Up/Hand  Lay-­‐Up  Process  

!  Usual  moldless  

!  Appling  reinforcement  material  and  matrix  by  hand  

•  Matched  Dies  !  Pairs  of  matched  dies  

•  Vacuum  Bag  !  A  vacuum  bag  is  used  to  create  a  vacuum  around  a  component  

!  Atmospheric  pressure  forces  wet  structures  into  mold  

!  Vacuum  assists  in  removing  excess  matrix  

Manufacturing  Methods  •  Autoclave  –  High  pressure  and  heat  chamber  

!  Used  to  cure  matrix  

•  Filament  Winding  –  Individual  fibers  are  wound  to  an  exact  palern  to  provide  the  ul=mate  in  fiber  orienta=on  !  Used  for  helicopter  and  propeller  blades  

Matched  Dies  

Heated  matched  dies  are  used  for  making  a  large  number  of  iden=cal  parts.  

Vacuum  Bag  

A  vacuum  bag  may  be  used  to  apply  the  pressure  to  a  composite  lay-­‐up  to  ensure  that  it  takes  the  shape  of  the  female  die  and  to  ensure  that  all  of  the  individual  fibers  are  completely  encapsulated.  

Filament  Winding    

When  the  maximum  strength  is  required,  the  part  may  be  filament-­‐wound  and  cured  in  an  autoclave.  

Inspec=on  •  Problems:  

!  Cracks  

!  Delamina=on  –  Separa=on  of  composite  layers  !  Matrix  void  detec=on  –  Usually  aIer  repairs  or  manufacturing  

!  Trapped  water  •  Indica=on  of  structural  failure  

Inspec=on  •  Methods:  

!  Coin  Tap  –  tapping  the  edge  of  a  coin  on  the  structure.  •  Listen  for  dull  “thuds”,  indicates  a  problem  

•  Indicates  there  is  a  problem  but  can’t  measure  the  magnitude  

!  Acous=c  emission  –  Use  sound  to  vibrate  a  structure  and  listen  for  bad  “noises”  • Will  not  detect  entrapped  water  

Inspec=on  •  Methods:  

!  Ultrasonic  inspec=on  

!  Radiographic  (X-­‐ray)  !  Backligh=ng  

•  Remove  paint,  shine  a  strong  light  on  one  side  and  inspect  

Repair  •  Follow  the  manufacturer’s  instruc=ons  

!  General  purpose  fiberglass  and  matrix  can’t  replicate  the  advanced  methods  used  by  the  manufactures  

•  Non-­‐structural  repair  !  e.g.  cracked  wheel  pants  

!  Stop  drill  the  crack  !  Apply  the  repair  to  the  inside  

•  Roughen  up  the  surface  by  sanding  •  De-­‐grease  with  MEK  

!  Test  first  

•  Glue  on  a  fiberglass  patch  

Repair  

Typical  dimensions  for  a  room-­‐temperature  repair  to  the  face  plies  of  a  honeycomb  core  composite  panel.  

If the core is damaged, remove and replace

Repair  

Typical  lay-­‐up  for  vacuum-­‐bagging  of  a  room-­‐temperature  cured  repair.  

Repair  •  When  repairing  puncture-­‐type  damage  of  a  metal  faced  laminated  honeycomb  panel,  the  edges  of  the  doubler  should  be  tapered  to  100  =mes  the  thickness  of  the  metal  

•  Superficial  scars,  scratches,  surface  abrasion,  or  rain  erosion  on  fiberglass  laminates  can  generally  be  repaired  by  applying  one  or  more  coats  of  suitable  resin  (room-­‐temperature  catalyzed)  to  the  surface  

Repair  •  A  poled  compound  repair  on  honeycomb  can  usually  be  made  on  damages  less  than  1  inch  in  diameter  

•  One  method  of  reducing  the  amount  of  warpage  is  to  use  short  strips  of  fiberglass  in  the  bonded  repair  

•  Don’t  use  any  cuAng  oil  

•  Fiberglass  laminate  damage  not  exceeding  the  first  layer  or  ply  can  be  repaired  by  filling  with  a  puly  consis=ng  of  a  compa=ble  resin  and  clean,  short  glass  fibers  

Plas=cs  •  General  types  (categorized  by  how  they  react  to  heat)  !  ThermoseAng  

•  Set  by  heat  once,  reapplica=on  of  heat  will  destroy  it  !  Thermoplas=c  

•  Can  be  soIened  by  heat,  and  when  they  are  cooled  they  will  regain  their  original  hardness  and  rigidity  

•  Not  damaged  by  repeated  hea=ng  and  cooling,  so  long  as  they  are  not  overheated.  

Thermoplas=cs  •  Can  be  soIen  with  heat  and  formed  into  a  specific  shape  !  Pressure  or  vacuum  formed  

•  Acrylics    !  Modern  type  

!  Plexiglas,  Lucite  and  Perspex  

•  Acetate  !  Older  type  !  Yellows  and  gets  brille  with  age  

Thermoplas=cs  •  Type  test:  swab  with  acetone  

!  Acetate  will  soIen  

!  Acrylic  turns  white  but  doesn’t  soIen  

•  Type  test:  Apply  a  drop  of  zinc  chloride  !  No  effect  on  acrylic  !  Acetate  plas=c  will  turn  milky  

Transparent  Plas=cs  •  Storage  

!  Leave  paper  on  

!  Store  ver=cally  at  a  10°  =lt  !  If  stored  horizontally,  insure  not  dirt  is  trapped  

•  CuAng  !  Cut  large  and  sand  to  size  

!  Don’t  overheat  or  melt  

Transparent  Plas=cs  •  Drill  bits  

!  A  specially  modified  twist  drill  bit  •  Include  angle  of  150°,  the  cuAng  edge  ground  to  a  zero  rake  angle  

•  Purchase  drill  bit  !  Don’t  overheat  or  melt  !  High  speed  with  low  pressure  !  Drill  on  a  piece  of  wood  so  drill  will  not  break  or  chip  the  edges  of  the  hole  

!  Oversize  hole  •  Coefficient  of  expansion  of  plas=c  is  greater  than  aluminum  and  steel  

!  Temperature  changes  cause  bigger  changes  to  plas=c  

Cemen=ng  –  Soak  Method  •  Soak  method  is  the  most  common  way  of  cemen=ng  acrylic  plas=cs  

•  Cement  is  a  clear  liquid  that  “melts”  the  plas=c  !  Acts  more  like  welding  than  gluing  

Cemen=ng  –  Soak  Method  •  Steps:  

!  Mask  off  the  parts  of  the  plas=c  that  are  not  to  be  affected  by  the  solvent.  

!  Soak  the  edge  of  one  of  the  pieces  in  the  solvent  un=l  a  soI  cushion  forms.  

!  Press  the  pieces  together  so  the  cushion  will  diffuse  into  the  other  piece  and  form  a  cushion  on  it.  

!  Allow  the  pressure  to  remain  un=l  the  solvent  has  evaporated  from  the  cushions  and  they  become  hard.  Remove  the  excess  material  and  dress  the  repair  to  conform  to  the  original  material.  •  Low  heat  will  help  cure  

Cemen=ng  –  Soak  Method  

Cemen=ng  acrylic  plas=cs  by  the  soak  method.  

Transparent  Plas=cs  •  Cleaning  

!  Rinse  with  water  first  •  Get  rid  of  the  grit  may  scratch  the  surface  

!  Wash  with  mild  soap  and  water  •  Or  approved  cleaner  

!  Apply  wax  to  protect  

Transparent  Plas=cs  •  Installa=on  

!  Remove  old  plas=c,  sealant  and  sand  enclosure  to  ensure  not  rough  edges  

!  Sand  new  piece  to  size  •  New  pieces  are  sent  larger  than  required  •  Must  be  at  least  1/8”  gap  to  allow  for  expansion  

!  Apply  new  sealant  !  Install  fasteners  

•  Use  spacers  to  prevent  over  =ghtening  !  Required  if  rivets  are  used  

•  If  screws  are  used  without  spacers,  back  off  one  turn  aIer  =ghtening  

Transparent  Plas=cs  •  Crazing  

!  Network  of  hair  line  cracks  caused  by  aging  

!  Can  lead  to  bigger  cracks  

•  Delamina=on  !  Must  be  replaced    

Patches  

Repair  of  a  hole  in  a  piece  of  transparent  acrylic  plas=c.  

Patches  

Repair  of  a  crack  in  a  piece  of  transparent  acrylic  plas=c.  

Scratches  •  Video