Kuitumetallilaminaattien väsymisvauriot ja särönkasvun hidastaminen

Abstract

Kuitumetallilaminaatit ovat ohuista metalli- ja lujitemuovikerroksista koostuvia laminaatteja. Kuitumetallilaminaattien käyttökohteita ovat muun muassa lentokoneiden kuori- ja runkorakenteet, sillä ne ovat suhteellisen kevyitä ja tarjoavat erinomaista väsymiskestävyyttä. Lentokonerakenteissa käytettynä ne vähentävät huolto- ja polttoainekustannuksia tehokkaasti. Työn keskeinen tavoite oli selvittää, mitkä ovat kuitumetallilaminaattien keskeiset väsymisvauriomekanismit ja mitkä menetelmät ovat tehokkaita väsymisvaurion hidastamiseksi.

Lopputuloksena saatiin selville, että kuitumetallilaminaateissa väsymismurtuma ydintyy ja etenee metallikerroksessa aiheuttaen laminaattirakenteen delaminoitumista. Murtuman edetessä myös silloittuminen aktivoituu, mikä hidastaa särönkasvua merkittävästi. Keskeiset kirjallisuudessa esitetyt menetelmät väsymiskestävyyden parantamiseksi olivat nanomateriaalien hyödyntäminen muovimatriisissa sekä rakenteen jälkivenytys autoklaavivalmistuksessa tehdyn kovettumissyklin jälkeen. Myös metallin huolellisella pintakäsittelyllä on väsymisen kannalta merkittävä vaikutus. Tavoitteena oli myös tunnistaa lisätutkimusta vaativia kehitysnäkökulmia, joista erittäin merkittävässä roolissa on koneoppimisen kehittyminen väsymisvaurion ennustamiseksi ja optimaalisen rakennepaksuuden löytämiseksi.

Fiber metal laminates are hybrid materials made of thin aluminum alloys and fiber-reinforced composites layers. Common applications of fiber metal laminates are aircraft skin and fuselage structures because they are lightweight and offer excellent fatigue resistance. The use of fiber metal laminates in the aircraft industry can provide savings in fuel and maintenance expenses. The essential goals for this bachelor’s thesis are to investigate common fatigue failure mechanisms and discuss the applicability of some methods that have shown promising results in improving the fatigue resistance of fiber metal laminates.

The results showed that fatigue crack typically initiates and propagates in the aluminium layer causing delamination as it grows further. Simultaneously, the bridging effect is activated in the vicinity of the fatigue crack in composite layer. Individual methods introduced in this thesis to improve fatigue resistance were mixing nanomaterial into the polymer matrix and post-stretching after a curing cycle during autoclave manufacturing. Also, proper surface treatment has shown positive results concerning fatigue resistance. Finally, some future aspects were briefly analyzed. For instance, machine learning algorithms have shown decent reliability in predicting the fatigue behavior of fiber metal laminates but also optimizing the number of individual layers in the laminate structure.