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
Authors: Μαρκάτος Διονύσιος 
Published: September 2021

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.