Experimental investigation of the effect of defects, non-detectable by means of conventional non destructive techniques, on the mode I fracture toughness of adhesively bonded composite joints

Abstract

Adhesive bonding is a desirable joining technique as compared to conventional mechanical fastening, especially for aircraft components made from composite or polymeric material, as it presents some significant advantages including uniform distribution of the load, attractive strength to weight ratio and design flexibility. However, the application of this technology is limited to the assembly of less critical aircraft structures due to limited strength of bonded joints, the requirement to redesign the joints so that they are subjected to shear, difficulties in inspecting bondline quality, sensitivity of bondline integrity to environmental attack as well as the condition of the adherend surface prior to bonding which may result in the formation of weak bonds at the interface. Particularly for the case of aeronautical applications, the parameters which may act as contaminants, thus leading to weak bonds, have not yet been fully identified and their effects on the integrity of the bondline have not been quantified. The present work aims to contribute on identifying these contaminating factors and quantify the effect of weak bonds on the mode I fracture toughness of adhesively bonded composite joints. The investigation focuses on contaminating factors and resulting defects which are not detectable by means of conventional non destructive testing techniques, such as ultrasonic inspection or radiography. To accomplish this, an extensive experimental investigation has been conducted. The contaminating factors have been classified with regard to their origin, i.e. whether they are related to the manufacturing process of the parts to be joined or to the in-service conditions of the joined structure. Five different parameters have been considered, namely pre-bond moisture, release agent, thermal degradation, a hydraulic fluid and curing temperature. The above factors were found to generally degrade the fracture toughness of the bonded joints; that was also confirmed by the statistical ANOVA analysis that followed. Where feasible, identification and quantification of the defects by means of advanced/hybrid NDT techniques was carried out and a correlation between the results obtained from these techniques and the mechanical testing results for every investigated contamination scenario was made. To support and understand the experimental results, an effort was made to relate the obtained results to the underlying physics of the contamination process. Finally, a representative aircraft service-related scenario concerning the synergistic influence of the quality-reduction factors studied herein and an environment of a specific relative humidity and temperature, which is likely to happen during aircraft service, was considered. The specific environmental conditions examined herein were found to enhance the fracture toughness rather than degrading it.The results of this study will contribute to i) the identification of a number of parameters, related either to the manufacturing process or to the in-service conditions of the aircraft structure expected to cause contamination ii) the quantification of the degradation of mode I fracture toughness of the composite bonded joints, iii) evaluation of the suitability of advanced/hybrid NDT techniques for the detection of weak bonds caused by the factors considered herein and assist on their further development, iv) understanding of the underlying mechanisms resulting to the observed degradation of the mechanical behavior, v) motivating the development of numerical models capable of predicting the mechanical behavior of bonded joints under realistic aircraft-related conditions, and finally vi) emphasizing the need for the establishment of standards targeted at realistic aeronautics conditions under which an adhesively bonded joint is loaded.

Μέχρι σήμερα, η συναρμολόγηση κύριων αεροπορικών δομών από σύνθετα υλικά γίνεται μέσω μηχανικών συνδέσεων. Η συγκεκριμένη κατασκευαστική μεθοδολογία οδηγεί μεν σε ασφαλείς συνδέσεις, οδηγεί όμως συγχρόνως και στην αύξηση του βάρους της κατασκευής, που προκύπτει από την υπερδιαστασιολόγηση των συνδεόμενων μερών και τη χρήση μεγάλου αριθμού ήλων, καθώς και σε συγκεντρώσεις τάσεων στις οπές, κτλ. Μια ενδιαφέρουσα και πολλά υποσχόμενη εναλλακτική μέθοδος για την σύνδεση αεροπορικών δομών είναι η σύνδεση με κόλλα. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη της τεχνολογίας συνδέσεων σύνθετων υλικών με κόλλες αποτελεί ένα τομέα στην αεροναυπηγική όπου διεξάγεται εκτεταμένη έρευνα. Στα πλεονεκτήματα των συνδέσεων με κόλλα έναντι των μηχανικών συνδέσεων περιλαμβάνονται η εξοικονόμηση βάρους και κόστους λόγω της αποφυγής της υπερδιαστασιολόγησης και η πιο ομοιόμορφη κατανομή τάσεων κατά μήκος της σύνδεσης. Παρ’όλα αυτά, η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας περιορίζεται στην σύνδεση δευτερευουσών αεροπορικών δομών όπου πιθανή αστοχία της σύνδεσης δεν θέτει σε κίνδυνο την δομική ακεραιότητα της αεροπορικής δομής και κατ’επέκταση του αεροσκάφους. Οι λόγοι της περιορισμένης χρήσης συνδέσεων με κόλλα σε κύριες αεροπορικές δομές είναι πολλοί και περιλαμβάνουν την μειωμένη αντοχή των συνδέσεων τέτοιου τύπου και την απαίτηση επανασχεδιασμού ώστε το φορτίο ανάμεσα στα συνδεόμενα μέρη να μεταφέρεται με διατμητικές δυνάμεις, την εξάρτηση της διεπιφανειακής αντοχής από την κατάσταση (φυσικοχημικές ιδιότητες) της επιφάνειας του σύνθετου υλικού πριν την σύνδεση (π.χ. λόγω έκθεσης του σύνθετου υλικού σε επιθετικό για το υλικό περιβάλλον), την ανεπάρκεια των τεχνικών μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) να ανιχνεύσουν ορισμένους τύπους ατελειών που παρατηρούνται στις συνδέσεις και οδηγούν σε μειωμένες μηχανικές ιδιότητες, κτλ. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η επίδραση μιας σειράς παραμέτρων οι οποίες υποβαθμίζουν την ποιότητα της σύνδεσης δομικών μερών του αεροσκάφους, οδηγώντας πολλές φορές σε ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από τις συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ. Οι παράμετροι αυτές είναι: προϋπάρχουσα υγρασία στο σύνθετο υλικό, αποκολλητική ουσία, προϋπάρχον αεροναυπηγικό λάδι, θερμική υποβάθμιση του σύνθετου υλικού πριν την κόλληση και θερμοκρασία πολυμερισμού. Η δημιουργία ατελειών από τις παραπάνω παραμέτρους μπορεί να προκύψει λόγω προσβολής της επιφάνειας κατά την κατασκευή των δομικών μερών, κατά την σύνδεσή τους σε μια μεγαλύτερη δομή, κατά την λειτουργία της δομής αυτής ή κατά την επισκευή της. Ας σημειωθεί ότι μέχρι τώρα δεν έχει αναγνωριστεί το σύνολο των παραμέτρων αυτών, ενώ και οι συνέπειες των παραμέτρων που έχουν αναγνωριστεί δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς; επιπρόσθετα, οι σχετικές μελέτες δεν είναι προσανατολισμένες σε αεροναυπηγικές εφαρμογές. Ως συμβολή για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος, ταυτοποιήθηκε και ταξινομήθηκε μια σειρά παραμέτρων που δημιουργούν βλάβες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ ενώ στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη και ποσοτικοποίηση της επίδρασής της κάθε μίας από τις παραμέτρους αυτές στην μηχανική συμπεριφορά της σύνδεσης, ιδιαίτερα κάτω από συνθήκες που αφορούν σε αεροναυπηγικές εφαρμογές. Αρχικά έγινε ποσοτικοποίηση των ατελειών μέσω αναλυτικών εργαστηριακών μεθόδων (XRF, IR, XPS). Ακολούθησε μη καταστροφικός έλεγχος των συνδέσεων μέσω υπερήχων (C-scan) και ακτίνων Χ ο οποίος επιβεβαίωσε ότι οι παράμετροι που εξετάστηκαν οδηγούν σε ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ. Η αντοχή των συνδέσεων μετρήθηκε μέσω πειραμάτων δυσθραυστότητας τύπου Ι (mode I) και ακολούθησε στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων με τη μέθοδο ANOVA προκειμένου να ανιχνευθούν οι πιθανές διαφορές μεταξύ των διαφορετικών ποσοτικοποιημένων ατελειών για κάθε μία παράμετρο που εξετάστηκε. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή βρέθηκαν να υποβαθμίζουν γενικά την αντοχή των συνδέσεων, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε και από τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας με τη μέθοδο ANOVA. Εν συνέχεια, έγινε αναγνώριση του τύπου αστοχίας που προκαλεί κάθε μία παράμετρος και περιγραφή των φυσικών μηχανισμών που οδήγησαν στην υποβάθμιση της ποιότητας της σύνδεσης. Επιπρόσθετα, έγινε μια προσπάθεια συσχέτισης των πειραματικών αποτελεσμάτων με αποτελέσματα προηγμένων/υβριδικών τεχνικών ΜΚΕ οι οποίες είναι προσαρμοσμένες στην ανίχνευση βλαβών μη ανιχνεύσιμων με συμβατικές μη καταστροφικές τεχνικές, όπως αυτές που προκαλούν οι παράμετροι που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή; τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή την προσπάθεια είναι αρκετά ενθαρρυντικά. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση των παραμέτρων που μελετήθηκαν σε συνδυασμό με ένα αντιπροσωπευτικό περιβάλλον υγρασίας και θερμοκρασίας που αφορά πραγματικές συνθήκες λειτουργίας αεροναυπηγικών δομών. Το συγκεκριμένο αντιπροσωπευτικό περιβάλλον βρέθηκε να οδηγεί σε αύξηση της αντοχής των συνδέσεων παρά σε υποβάθμισή της.Η κύρια συμβολή και πρωτοτυπία της διατριβής εντοπίζεται στην ταυτοποίηση μιας σειράς παραγόντων που δημιουργούν ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ και οι οποίοι οδηγούν σε υποβάθμιση της αντοχής των συνδέσεων με κόλλα, καθώς και στον προσδιορισμό της επίδρασης των παραπάνω ατελειών στην δυσθραυστότητα των συνδέσεων.Επιμέρους πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής κρίνονται τα ακόλουθα: Ταξινόμηση των παραμέτρων (που αφορούν είτε την παραγωγή και την σύνδεση δομικών στοιχείων είτε την επισκευή είτε τις συνθήκες λειτουργίας των συνδέσεων) οι οποίες δημιουργούν ατέλειες μη ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές ΜΚΕ, καθώς και συστηματική μελέτη της επίδρασής τους στην δυσθραυστότητα τύπου Ι της σύνδεσης, ιδιαίτερα για συνθήκες οι οποίες είναι ρεαλιστικές για αεροναυπηγικές δομές.Συμβολή στην κατανόηση και περιγραφή των φυσικών μηχανισμών που οδηγούν στην υποβάθμιση και αστοχία των συνδέσεων με κόλλα λόγω της ύπαρξης των παραπάνω ατελειών.Διαπίστωση της μη επάρκειας των υπαρχουσών προδιαγραφών για τον έλεγχο της δυσθραυστότητας συνδέσεων αεροναυπηγικών δομών με κόλλα.