Composite Materials in Aircraft ChapterSix 2 - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/me/meold/3_2551/437201/Composite_Materials_in... · Fiber Reinforced Composite MATERIALS : RESIN

July 20042009 Lecture Side

Lecture by

Suradet TantrairatnInstructor and Researcher

Chapter Six (Part Two)

January 2009

Composite Materials in Aircraft

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.

Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2

Fiber Reinforced Composite

เสนใยเสริมแรงจะชวยเพิ่มความแข็งแรง ความตานทานการลาตัว มอดุลัสยัง และอัตราสวนความแข็งแรงตอน้ําหนักของวัสดุผสมใหสูงขึ้น สมบัติตาง ๆ เหลานี้จะเกิดขึ้นรวมกันระหวางความแข็งแรง ความเหนียวของเสนใยประสานกับความออนเหนียวของแมทริกซ วัสดุที่เปนแมทริกซจะทําหนาที่ในการถายแรงที่กระทําสูเสนใย

เสนใย (Fiber) ประกอบไปดวย

- เสนใยแกว

- เสนใยคารบอนและเสนใยแกรไฟต

- เสนใยอะรามิด ( Aramid ) หรือที่เรียกวา เคฟลาร ( Kevlar )

- เสนใยโบรอน

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



MATERIALS : RESIN

• PRIMARY FUNCTION:

“TO TRANSFER STRESS BETWEEN REINFORCING FIBERS AND TO

PROTECT THEM FROM MECHANICAL AND ENVIRONMENTAL DAMAGE”

• TYPES:

THERMOSET

THERMOPLASTIC©

AIR

BUS

UK

LTD

200

2. A

ll rig

hts

rese

rved

. Con

fiden

tial a

nd p

ropr

ieta

ry d

ocum

ent.



• THERMOSETTING PLASTIC

POLYESTER

VINYL ESTER

EPOXY

PHENOLIC

POLYURETHANE

• THERMOPLASTIC

ACETAL

ACRYRONITRILE BUTADIENE STYRENE (ABS)

NYLON

POLYETHYLENE (PE)

POLYPROPYLENE (PP)

POLYETHYLENE TEREPHTHALATE (PET)

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


POLYESTER

• LOW COST

• EXTREME PROCESSING VERSATILITY

• LONG HISTORY OF PERFORMANCE

• MAJOR USES:

• Transportation

• Construction

• Marine

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


VINYL ESTER

•SIMILAR TO POLYESTER

•EXCELLENT MECHANICAL & FATIGUE PROPERTIES

•EXCELLENT CHEMICAL RESISTANCE

•MAJOR USES:

•Corrosion Applications - Pipes, Tanks, & Ducts

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


EPOXY

•EXCELLENT MECHANICAL PROPERTIES

•GOOD FATIGUE RESISTANCE

•LOW SHRINKAGE

•GOOD HEAT AND CHEMICAL RESISTANCE

•MAJOR USES:

•FRP Strengthening Systems

•FRP Rebars

•FRP Stay-in-Place Forms©

AIR

BUS

UK

LTD

200

2. A

ll rig

hts

rese

rved

. Con

fiden

tial a

nd p

ropr

ieta

ry d

ocum

ent.


PHENOLICS

•EXCELLENT FIRE RETARDANCE

•LOW SMOKE & TOXICITY EMISSIONS

•HIGH STRENGTH AT HIGH TEMPERATURES

•MAJOR USES:

•Mass Transit - Fire Resistance & High Temperature

•Ducting

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


POLYURETHANE

•TOUGH

•GOOD IMPACT RESISTANCE

•GOOD SURFACE QUALITY

•MAJOR USES:

•Bumper Beams, Automotive Panels

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Physical Properties of Thermosetting Resins Used in Structural Composites

Resin Type

Density(kg/m3)

TensileStr.

(MPa)

Elong.(%)

E-Mod. (GPa)

Long.Termt ,(C)

Polyester 1.2 50-65 2-3 3 120

Vinyl Ester

1.15 70-80 4-6 3.5 140

Epoxy 1.1-1.4 50-90 2-8 3 120-200

Phenolic 1.2 40-50 1-2 3 120-150

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Fiber (Fiber Glass)

เสนใยแกว ผลิตจากทรายซิลิกาที่ผสมสารออกไซดบางชนิดเพื่อลดอุณหภูมิ

หลอมเหลวและความหนืดขณะทรายแกวหลอมเหลว เสนใยแกวแบงออกเปน 4

ชนิด

- ใยแกวชนิด A-กลาส (A-glass) เปนเกรดแอลคาไลสูงที่มีสวนผสมของโซดา-

ไลม-ซิลิกา ใชในงานที่ตองการทนสารเคมี

- ใยแกวชนิด E-กลาส (E-glass) เปนเกรดทางไฟฟา จะมีสวนผสมของอะลูมิ

โน-โบโรซิลิเกต มีสมบัติทางไฟฟาที่ดีและทนทานมากจึงนิยมใชเปนเสนใย

เสรมิแรงมากที่สุด

- ใยแกวชนิด ECR-กลาส (ECR-glass) มักใชในงานที่ตองการสมบัติทาง

ไฟฟาควบคูกับความตานทานทางเคมีไปพรอมกัน©

AIR

BUS

UK

LTD

200

2. A

ll rig

hts

rese

rved

. Con

fiden

tial a

nd p

ropr

ieta

ry d

ocum

ent.


Fiber (Fiber Glass)

- ใยแกวชนิด S-กลาส (S-glass) จะมีสวนผสมของแมกนีเซียมอะลูมิโนซิลิ

เกต ซึ่งจะไมมีโบรอนออกไซดและใชในงานที่ตองการความแข็งแรงที่สูงมาก ๆ

คงสภาพไดที่อุณหภูมิสูง ๆ แตราคาของ S-กลาสจะแพงกวากลุมอื่น

เสนใยแกวนิยมใชในการผลิตเครื่องบินและยานอากาศ หากเปรียบเทียบอายุ

ของความทนทานตอความชื้นแลวเสนใย ECR และ S-กลาสจะดีกวา A-กลา

สมาก เสนใย E-กลาสนิยมใชทําแผงวงจรอิเล็กทรอนิกสมาก ทั้งนี้เพราะสมบัติ

ทางดานไฟฟาของ E-กลาสนั้นดีมาก อีกทั้งยังรักษาขนาดและรูปทรงไดดี

ทนทานตอความชื้น และมีราคาต่ํา

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Summary Table of Fiber Glass

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Carbon Fibers for Reinforced Plastics

วัสดุผสมผลิตจากการใชใยคารบอนไปเสริมแรงใหกับพลาสติกเรซิน (Plastic

Resin) เชน Epoxy เพื่อใหวัสดุนั้นมีคุณสมบัติเฉพาะ คือ ทําใหมีน้ําหนักเบา มี

ความแข็งแรงสูง มีความแข็งตัว ไมโคงงองาย จากสมบัตินี้จึงนิยมนํามาใชกับ

อุตสาหกรรมการบิน แตเนื่องจากราคาของเสนใยคารบอนคอนขางสูง จึงเปน

ขอจํากัดในอุตสาหกรรมยานยนต

เสนใยคารบอนที่ใชผลิตวัสดุผสมนี้ ทํามาจากแหลงที่สําคัญ 2 แหลงคือ

- พอลิอะครีโลไนไทรล (Polyacrylonitrile, PAN)

- ยางมะตอย (pitch)

ซึ่งเปนตัวที่เกิดขึ้นมากอนที่จะเปนเสนใยคารบอนเรียกวา พรีเคอเซอร

(Precursor)

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



โดยทั่วไปเสนใยคารบอนผลิตมาจาก PAN-precursor ดวยกระบวนการ 3

ขั้นตอนดวยกันคือ

1. กระบวนการทําใหเสถียร (Stabilization) ขั้นตอนนี้เสนใย PAN จะถูกดึง

ใหยืดตรง โดยใหเสนใยแตละเสนขนานกันกับแกนเสนใย แลวทําใหเกิด

ออกซิเดชันดวยอากาศที่อุณหภูมิประมาณ 200-220 C ทั้งที่ยังดึงอยู

2. กระบวนการทําใหเกิดคารบอน (Carbonization) เปนการผลิตเสนใย

คารบอนที่มีความแข็งแรงสูง กระบวนการนี้ตมาจากกระบวนการแรก โดยเสนใย

PAN ที่เสถียรจะถูกเผาจนกระทั้งกลายเปนเสนใยคารบอนดวยการกําจัด

ออกซิเจน ไฮโดรเจน และไนโตรเจนจากเสนใย PAN จะเผาที่อุณหภูมิ 1000-

1500 C©

AIR

BUS

UK

LTD

200

2. A

ll rig

hts

rese

rved

. Con

fiden

tial a

nd p

ropr

ieta

ry d

ocum

ent.



3. กระบวนทําใหเปนแกรไฟต (Graphitization) การทําใหเสนใยเปนแกรไฟต

ซึ่งเปนกระบวนการที่ใชสําหรับเพิ่มอีลาสติกมอดูลัสจากการที่มีความแข็งแรง ใน

ระหวางที่มีการเผาที่อุณหภูมิสูงกวา 1800 C เสนใยแตละเสนจะมีการเปลี่ยน

โครงสรางกลายเปนผลึกคลายแกรไฟตเพิ่มขึ้น

เสนใยคารบอนที่ผลิตจากวัสดุ PAN จะได tensile strength อยูประมาณ

450-650 ksi ( 3.10-4.45 GPa) และมีอีลาสติกมอดูลัสอยูในชวงประมาณ 28-

35 Msi (193-248 GPa)

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Aramid Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic

เสนใยอะรามิด หรือ เคฟลาร เปนเสนใยที่ผลิตจากอะโรเมติกโพลิเอไมดโพลิเมอร

(aromatic polyamide polymer) ซึ่งมีการเพิ่มความแข็งแรงโดยการเสริมวง

แหวนของเบนซิน เขาไปเชื่อมตอสายโซโพลิเมอร ขณะเกิดกระบวนการโพลิเมอไร

เซชัน ลักษณะของสายโซที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะยาวคลายเสนลวด สงผลใหเสนใย

มีความแข็งแรงตามแนวยาวที่สูงมาก

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Aramid Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic

เคฟลารที่นิยมใชมี 3 ชนิด โดยสมบัติทางกล เคฟลาร 29 มีความหนาแนนต่ํา แต

มีความแข็งแรงสูง นิยมใชทําอุปกรณปองกันกระสุนปนและขีปนาวุธ ใชทําเชือก

และสายเคเบิล สวนเคฟลาร 49 มีความหนาแนนต่ํา แตมีความแข็งแรงสูงและ

มอดุลัสสูง นิยมสําหรับผลิตยานอวกาศและเครื่องบิน

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Boron Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic

เปนเสนใยที่ใชทําวัสดุผสมเสนใยเสริมแรงที่มีโลหะเปนแมทริกซ วิธีการผลิตเสน

ใยโบรอนจะใชวิธีการที่เรียกวา CVD (chemical vapor deposition) ซึ่งเปน

วิธีการทําใหโบรอนกลายเปนไอแลววิ่งไปเกาะที่ลวดทังสเตน แลวเกิดการตกตระ

กอนขึ้นที่ผิวของลวดทังสเตน การผลิตเสนใย SiC ก็จะอาศัยวิธีการเดียวกัน โดย

เสนใยคารบอนจะถูกไอระเหยของซิลิคอนคารไบดเคลือบที่บริเวณผิว

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Graph Compare Fiber

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Compare specific strength

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


FIBER PROPERTIES DENSITY (g/cm3)

1.38

1.59

1.99

1.99

2.76

8

0 2 4 6 8 10

Aramid

Carbon

S-Glass

E-Glass

Alum

Steel

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


FIBER PROPERTIES TENSILE STRENGTH

500

525

530

625

20

60

0 200 400 600 800

E-Glass

Aramid

Carbon

S-Glass

Steel

Alum

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


FIBER PROPERTIES STRAIN TO FAILURE

1.4

2.8

4.8

5

0.2

0.16

0 1 2 3 4 5 6

Carbon

Aramid

E-Glass

S-Glass

Steel

Alum

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


สมบัติและคุณลักษณะของวัสดุผสมเสนใยเสริมแรง

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


แรงกระทาํขนานกับเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเครยีดเทากัน (Isostrain)

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


แรงกระทาํตั้งฉากกบัเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเคนเทากัน (Isostress)

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.



©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


ความแข็งแรงของวัสดุผสม

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


ความแข็งแรงของวัสดุผสม

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


ความยาวและความโตของเสนใย

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


ปริมาณของเสนใย และการจดัเรียงตัวของเสนใย

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


อิทธิพลของการจดัเรียงตัวของเสนใยในทิศทางตาง ๆ ที่มีตอความแข็งแรงของวัสดุอิพอกซีเสริมแรงเสนใยแกว

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


การจดัเรยีงตัวของเสนใย

หากเราตองการวัสดุผสมที่มีการรับแรงในหลาย ๆ ทิศทาง เราสามารถกระทํา

ไดโดยการจัดเรียงทิศทางของเสนใยที่มีมุมแตกตางกัน โดยใชเสนใยที่ตอเนื่อง

©AI

RBU

S U

K LT

D 2

002.

All

right

s re

serv

ed. C

onfid

entia

l and

pro

prie

tary

doc

umen

t.


Example

Documents

Composite Materials in Aircraft ChapterSix 2 - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/me/meold/3_2551/437201/Composite_Materials_in... · Fiber Reinforced Composite MATERIALS : RESIN