ترمیم کامپوزیت
مواد کامپوزیت با طیف گسترده‌ای از کاربردها در بازارهایی از جمله (هوا فضا ، دریایی ، خودرو ، حمل و نقل سطحی و تجهیزات ورزشی) استفاده می شوند. آسیب به اجزای کامپوزیت همیشه با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیست و میزان آسیب دیدگی برای اجزای سازه ای با روشهای مناسب آزمون غیرمخرب (NDT) بهتر تعیین می شود. مفهوم ترمیم کامپوزیت سازه های کامپوزیتی یا فلزی ساده است. به صورتی که ترمیم پیوندی باعث کاهش تنش ها در ناحیه آسیب دیده می‌شود. و همچنین باعث می شود ترک ها باز نشوند و بنابراین رشد نکنند.
ساختارهای ترکیبی مورد علاقه عمدتاً دارای اجزای تشکیل شده از لایه های لمینیتی یا سازه های ساندویچی می‌باشند. که در (شکل 1) نشان داده شده است. ساختارهای لمینیتی (ورقه‌ای) به گونه ای مونتاژ می شوند که جهت الیاف، بیشتر خصوصیات مکانیکی مورد نظر را فراهم می کند. هسته ضخیم تر است و همچنین پانل با حداقل افزایش وزن سخت تر می شود. و ماتریس تا حد زیادی عملکرد محیطی را تعیین می کند. در ساختارهای ساندویچی ، پوسته های نازک و با مقاومت بالا توسط هسته های لانه زنبوری سبک از هم جدا شده و به آن متصل می شوند.
مهمترین آسیب به کامپوزیت‌ های تقویت شده با الیاف در نتیجه حوادث ضربه است. سرعت کم و سرعت زیاد ضربه در آسیب قابل توجهی که به یک پیکربندی ترکیبی معین وارد می‌کند. می‌تواند باعث ایجاد الگوهای متفاوتی شود. در فلزات ، انرژی برخورد از طریق تغییر شکل‌های الاستیک و پلاستیک پراکنده می شود و هنوز هم ساختار حاشیه خوبی از یکپارچگی سازه را حفظ می کند. اما در مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف ، آسیب معمولاً بیشتر از آن است که در سطح مشاهده می شود. برخی از موارد آسیب معمول برای سازه های مرکب در (شکل 2) نشان داده شده است.
در لمینت یکپارچه آسیب زمینه ای می تواند به میزان بیشتری نسبت به چیزی که مشاهده می‌شود. سختی قابل رویت بر روی سطح آن را گسترش دهد. نوع دیگر آسیب ، شکاف ورقه ورقه است. در اینجا آسیب از طول کامل قطعه گسترش نمی‌یابد. و اثرات آن بر عملکرد مکانیکی به طول نسبت به ضخامت جزء بستگی دارد.
در سازه های ساندویچی ، ضربه منجر به فرورفتگی در اندازه های مختلف می شود و بسته به سطح انرژی ، آسیب سوراخ غیر معمول نیست. در این حالت ممکن است هر دو رویه آسیب ببینند. از دیگر انواع آسیب های متداول می توان به آسیب ناشی از گرما و آسیب سوراخ پیچ و مهره اشاره کرد. آسیب گرما ناشی از قرار گرفتن در دمای بالا است که باعث شکستگی موضعی با جداسازی لایه های سطحی می شود. آسیب سوراخ پیچ و مهره در اثر تنش های به‌وجود آمده در سطوح تماس سازه کامپوزیت با یک پیچ یا میخ که برای اهداف اتصال استفاده می شود ، ایجاد می شود. که می تواند منجر به از بین رفتن سوراخ و منجر به شکاف ورقه ورقه ، یا آسیب به لایه های بالایی شود. در هر صورت ، تأثیر بر عملکرد مکانیکی به ضخامت قسمت آسیب دیده بستگی دارد.
پیامدهای بعدی ، جدا از آسیب اولیه ضربه ، ناشی از قرار گرفتن در منطقه آسیب دیده در برابر رطوبت و سایر عوامل تخریب کننده مانند مواد شیمیایی ، روان کننده ها ، سوخت ، مایعات هیدرولیکی و غیره است. وجود چنین محیط هایی ممکن است منجر به بدتر شدن عملکرد مکانیکی شود.
هنگام انجام تعمیر کامپوزیت مراحل خاصی وجود دارد که باید دنبال شوند. در (شکل 3) ، یک فلوچارت ترمیم کامپوزیت معمولی آورده شده است.
اولین مرحله در این روش ارزیابی دقیق خسارت می‌باشد. برخی از صدمات به کامپوزیت ها آشکار است و به راحتی ارزیابی می شود ، اما در بسیاری از موارد ممکن است خسارت ابتدا بسیار کم به نظر برسد ، اگرچه آسیب واقعی بسیار بیشتر است. آسیب ناشی از الیاف می تواند به عنوان یک فرورفتگی کوچک روی سطح کامپوزیت تقویت شده ظاهر شود اما آسیب اساسی می تواند بسیار گسترده تر باشد. تصمیم برای تعمیر یا اوراق با در نظر گرفتن میزان تعمیر مورد نیاز برای جایگزینی عملکرد ساختاری اصلی کامپوزیت تعیین می شود. ملاحظات دیگر مواردی از قبلیل هزینه های تعمیر ، موقعیت و قابلیت دسترسی به خسارت و در دسترس بودن مواد ترمیم مناسب می‌باشند.
ارزیابی اولیه نوع تعمیر را تعیین می کند. تعمیرات آسان معمولاً کم هستند و بر روی یکپارچگی ساختاری قطعه تأثیر نمی‌گذارند. این تعمیرات با رعایت دستورالعمل های ساده ای که برای پانل های لمینت یا ساندویچ مشخص شده انجام می شود. تعمیرات پیچیده زمانی ضروری است که خرابی زیاد باشد و نیاز به جایگزینی عملکرد ساختاری قطعه داشته باشد. بهترین انتخاب مواد استفاده از الیاف ، پارچه ها و رزین ماتریس اصلی است. هر گزینه دیگری نیاز به دقت درباره محیط کامپوزیت تعمیر شده ، یعنی عملکرد گرم ، مرطوب و مکانیکی دارد. طرح تعمیرات پیشنهادی باید تمام الزامات طراحی اصلی سازه را برآورده کند. برخی از تعمیرات به تجهیزات تخصصی کارگاه و نوعی تعمیر بداهه برای بازگشت قطعه به یک کارگاه ترمیم مناسب نیاز دارد. ترمیم موقت ، معمولاً به صورت وصله ، می تواند بر روی قطعه ثابت شود تا از ایمنی تا زمان تعمیر قطعه در تاریخ بعدی اطمینان حاصل شود. برای تعمیر دائمی باید کلیه دستورالعمل‌های عمومی مصوب در مورد ترمیم لمینت و ساندویچ رعایت شود. این عملیات تعمیر باید برای اطمینان از کیفیت بالا در مناطق کنترل شده کارگاه انجام شود. کار در یک محیط کنترل شده و توجه به جزئیات، موفقیت را تضمین می کند.
قبل از بازگشت به خدمات ، بررسی کیفیت همیشه لازم است. برای بازرسی جامع از قطعات تعمیر شده ، می توان از تعدادی آزمایش غیر مخرب (NDT) استفاده کرد. توجه ویژه باید به کیفیت ناحیه ترمیم شده و به طور خاص به رابط بین قسمت اصلی و ناحیه ترمیم شده داده شود. روش های بازرسی معمول شامل نوعی بازرسی اولتراسونیک (ultrasonic) یا اشعه ایکس (X-ray) است.
ترمیم کامپوزیت معمولی، معمولاً پس از تشخیص آسیب توسط چشم غیرمستقیم یا روشهای مختلف NDT شروع می شود. پس از ارزیابی میزان خسارت ، منطقه خسارت برای جبران آماده می شود. این کار با حذف مواد کامپوزیتی در اطراف منطقه آسیب دیده انجام می شود. سه روش شناخته شده است که بسته به ماهیت کامپوزیت کمی متفاوت است ، همانطور که در (شکل 4) نشان داده شده است.
هنگامی که ترمیم کامپوزیت اعمال می شود ، برای رسیدن به نتیجه موفقیت آمیز ، سطح مناسب کار ضروری است. تعمیرات فوق‌الذکر می تواند زمانبر باشد و اغلب نیاز به مهارت و تجربه بالایی دارد. به همین دلیل است که تحولات کنونی تمرکز خود را بر روی اتوماسیون این فرایند یا توسط فرز پیشرفته مکانیکی یا فناوری های متناوب مانند لیزرهای پالس نانو ثانیه 2-3 انجام می دهند. پس از حفاری کامل منطقه آسیب ، سطوح تمیز شده است و برای اصلاح نهایی توسط وصله‌هایی آماده می شوند. این کار می تواند با سوزاندن آلودگی های سطحی پلاسما ، در معرض قرار دادن الیاف با از بین بردن مواد ماتریس از طریق تابش لیزر یا بهبود ترشوندگی سطح چسب ها توسط واکنش های شیمیایی ناشی از نور لیزر UV-4 انجام شود.
در یک ترمیم معمول ، اتصال‌دهنده در خلا و در دمای کافی برای پخت چسب اعمال می شود. برای این منظور ممکن است از یک دستگاه چسب داغ قابل حمل برای تعمیرات میدانی استفاده شود. برای تعمیرات پیچیده تر و با کیفیت بالاتر باید از اتوکلاو (autoclave) استفاده شود. یک واحد اتصال دهنده داغ در (شکل 5) نشان داده شده است.
در هر صورت ، استفاده از کیسه خلا یک مرحله ضروری برای تعمیرات با کیفیت بالا است. پردازش کیسه خلا برای اجزای با بخشهای نازک و ساختارهای بزرگ ساندویچ مناسب است. روش کیسه های خلا شامل قرار دادن و آب بندی یک کیسه انعطاف پذیر بر روی یک لایه کامپوزیتی و تخلیه تمام هوای زیر کیسه است که به طور شماتیک در (شکل 6) نشان داده شده است.
حذف هوا با فشار 1 اتمسفر (1 بار) کیسه را به سمت پایین فشار می دهد. [مونتاژ] تکمیل شده ، در حالی که هنوز خلا اعمال شده است ، تا دمای مورد نظر برای پخت گرم حاصل شود. این امر می تواند با استفاده از تشک گرم کننده یا قرار دادن مجموعه در داخل کوره ای با گردش هوا مناسب حاصل شود. برای مقاطع ضخیم تر و اتصال با کیفیت بالا ، باید از اتوکلاو (autoclave) با درجه حرارت تنظیم شده و فشار بیش از حد اضافی استفاده شود.
مهمترین چالش‌های فنی در اجرای موفقیت آمیز ترمیم وصله کامپوزیت عبارتند از: ( (الف) طراحی مناسب وصله تعمیراتی و روال هایی که طی آن دنبال خواهد شد ، (ب) انتخاب مناسب ترین مواد و ابزارها برای کاربرد ، (ج) آماده سازی دقیق سطح ، (د) اجرای ترمیم وصله کامپوزیت و استفاده دقیق از چرخه ترمیم، (ه) ارزیابی غیر مخرب ترمیم با روش مناسب و (ز) نظارت بر یکپارچگی ساختاری ترمیم در فواصل زمانی خاص یا به طور مداوم.)