Korkeiden lämpötilojen komposiitit lentokonerakenteissa

Abstract

Tämä opinnäytetyö on tehty Patria Aviation Oy:n tuotekehitysyksikölle syksyn 2018 aikana. Työn tavoitteena oli selvittää, onko nykyisin kaupallisesti saatavilla korkeita lämpötiloja kestäviä komposiittimateriaaleja, jotka ominaisuuksiltaan sopivat lentokonerakenteisiin. Selvitys tuli tarpeelliseksi, koska edellisestä selvityksestä on kulunut aikaa yli 30 vuotta. Lämpötilan osalta työ rajattiin 120–650 °C kestäviin sidosaineisiin. Sidosaineiden osalta työssä on käsitelty kertamuovien lisäksi keraamisia sidosaineita.

Työn tutkimus aloitettiin selvittämällä mahdollisia sidosaineita kirjallisuudesta. Ominaisuuksiltaan sopivia komposiittien sidosaineita ovat polyimidi, bismaleimidi, syanaattiesteri, benzozaxine ja epoksi, joita myös käsitellään tarkemmin tässä työssä. Mahdollisia tuotteita etsittiin sidosaineiden perusteella eri valmistajien tuotelistoilta, jotka sisälsivät puhtaita hartseja sekä puolivalmisteita. Kaikkiaan soveltuvia tuotteita kaupallisilta markkinoilta löytyi 29 eri tuotetta, yhdeksältä eri valmistajalta.

Työn tuloksena saatiin listaus mahdollisista materiaalivaihtoehdoista koko asetetulla lämpötilaskaalalla, josta voi valita käyttökohteeseen ominaisuuksiltaan sopivan sidosaineen. Yhtenä työn osa-alueena oli testilaminaatin valmistus sopivasta korkeita lämpötiloja kestävästä komposiittimateriaalista, joka kuitenkin puolivalmisteiden minimitilausmäärien vuoksi todettiin kannattamattomaksi. Työn aikana yhdeltä valmistajalta tilattiin valmiita testilaminaatteja, mutta niiden testaus ei aikataulun vuoksi sisälly työhön. Työhön on sisällytetty testaussuunnitelma ja varsinainen testaus suoritetaan myöhemmin.

This thesis was made for the product development unit of Patria Aviation Oy during the Autumn of 2018. The purpose was to search commercially available composite materials that can endure high temperatures, suitable for aircraft structural applications. The need for this report was timely, because the previous one was made over 30 years ago. The temperature range was defined to be 120–650 °C. In addition to thermoset matrices, a few ceramic matrices are also covered in this thesis.

The research was started by looking for a potential matrix from open literature. Suitable matrices for composites were polyimide, bismaleimide, cyanate esters, benzozaxine and epoxy, all of which are elaborated in this thesis. Possible products were looked by the matrix from different manufacturers’ product listings, which included pure resins and prefabricated products. All in all, 29 different possible products were found from nine different manufacturers.

The result of this thesis is a list of possible material choices for the whole temperature scale, from which a suitable product can be chosen for the desired application. Another part of this thesis was to manufacture a laminate sheet from suitable high temperature composite material for testing, but it was proven unpractical because of high minimum order quantities of the prefabricated products. One set of cured laminate sheets was ordered from one manufacturer, but the testing was not included in this thesis due to time limits. The test plan for the laminate sheets is included in this thesis and the testing is to be done at a later point of time.