Composite thermal damage – correlation of short beam shear data with FTIR spectroscopy

Význam tématu

S rostoucím využitím epoxidových uhlíkových kompozitů v letectví roste potřeba rychlých a nedestruktivních metod vyhodnocení poškození vlivem prostředí. Termické namáhání může oslabit pryskyřici a ovlivnit mechanické vlastnosti kompozitu dříve, než dojde k viditelným prasklinám nebo delaminaci.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo ověřit, zda přenosný FTIR analyzátor Agilent 4100 ExoScan dokáže detekovat molekulární změny v epoxidových kompozitech po tepelném vystavení a zda je možné tyto informace korelovat s mezivrstvovou smykovou pevností (SBS). Spolupráce s Center for Composite Materials (CCM) zkoumala materiál Cytec 977-3/IM7 vystavený teplotám 177 až 288 °C po dobu 15 minut.

Použitá metodika a instrumentace

• Přenosný FTIR přístroj Agilent 4100 ExoScan (8 cm⁻¹, ~30 s/spektrum).
• Měření mezivrstvové smykové pevnosti metodou krátkého šikmého ohybu (SBS) na 7 replikátech.
• Spectrální předzpracování: Savitzky-Golayova první derivace, střední odečtení.
• Korelace pomocí metody parciálních nejmenších čtverců (PLS) s křížovou validací.

Hlavní výsledky a diskuse

• S narůstající teplotou se ve spektru objevují výrazné karbonylové pásy při ~1680 a 1720 cm⁻¹, indikující oxidaci epoxidové pryskyřice.
• Postupná degradace páteře epoxidové sítě byla patrná z dalších změn v oblasti fingerprint.
• SBS pevnost klesla z 100 % při 177 °C na ~81 % při 288 °C.
• PLS model dosáhl koeficientu korelace 0,95 a průměrné chyby predikce 1,89 %, což je v rámci variability SBS (3–8 %).

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje rychlé nenáročné vyhodnocení stavu pryskyřice na místě bez odběru vzorků. Díky silné korelaci spektrálních dat s mechanickými vlastnostmi lze předpovídat pokles pevnosti kompozitu v důsledku tepelného namáhání.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace na jiné typy kompozitů, kovů a keramik.
• Detekce povrchových kontaminant před lepením či natíráním.
• Optimalizace mobilních FTIR přístrojů (např. Agilent 4200 FlexScan) pro různé pracovní podmínky.

Závěr

Přenosný FTIR analyzátor efektivně zjišťuje molekulární změny v epoxidových kompozitech po tepelném namáhání a dokáže je spolehlivě korelovat s mechanickým poklesem mezivrstvové pevnosti. Tato nenáročná technika přináší významný přínos v oblasti kontroly kvality kompozitních dílů.

Reference

• Rein A., Seelenbinder J. Composite thermal damage – correlation of short beam shear data with FTIR spectroscopy. Agilent Technologies, Publication 5990-7798EN, May 23 2015.