Mechanical performance of adhesively bonded innovative aeronautic carbon composites

Abstract

Devido ao impacto das viagens aéreas nas emissões de carbono, o setor da aviação busca materiais e tecnologias mais leves para reduzir emissões de CO2, NOx e ruído. Os materiais compósitos, substituindo estruturas tradicionais de alumínio em aeronaves, oferecem vantagens de peso, reduzindo o consumo de combustível e melhorando o desempenho. No entanto, a fixação de compósitos com elementos de fixação mecânicos, como parafusos e rebites, pode aumentar o peso estrutural. A ligação adesiva surge como uma solução potencial, proporcionando economia de peso sem comprometer a resistência. Existem desafios no desenho de ligações coladas adesivamente para compósitos, exigindo testes extensivos para determinar a resistência da ligação. A presente tese teve como objetivo investigar ligações adesivas entre materiais compósitos de carbono. O estudo envolveu a caracterização experimental do adesivo epóxi 3MTM Scotch-WeldTM (EC-9323) para obter propriedades mecânicas que possam ser usadas nas simulações numéricas de estruturas coladas. Com esse propósito, foram realizados quatro tipos de testes: i. testes de tracção, ii. testes de corte TAST (thick adherend shear test), iii. testes de corte DCB (double cantilever beam test) e iv. ensaios de flexão com entalhe no extremo (ENF). Adicionalmente, a resistência ao corte e ao descolamento de ligações adesivas compósito-compósito foram caracterizadas experimentalmente. Diferentes combinações de compósitos foram utilizando o adesivo epóxi 3MTM Scotch-WeldTM (EC-9323). Por fim, uma investigação numérica foi iniciada, que, de momento, está em estado embrionário e requer aprofundamento em estudos futuros. Os resultados dos testes caracterizaram eficazmente o adesivo, proporcionando uma compreensão abrangente da resistência de colagem e resistência ao descolamento em uniões compósito compósito. Em conclusão, os resultados obtidos neste estudo sobre uniões adesivas de compósitos de carbono sublinham a importância da seleção de materiais, processos de fabrico e tratamentos de superfície para alcançar as propriedades mecânicas e de fratura desejadas em uniões adesivas.

The aviation sector is under growing pressure to enhance eco-efficiency due to air travel's impact on global carbon emissions. This has prompted a shift towards lighter materials and technologies to reduce CO2, NOx emissions, and noise. Composite materials are at the forefront of this movement, replacing traditional aluminium high-performance aircraft structures. Compared to metals, composites offer significant weight advantages, resulting in lower fuel consumption and improved aircraft performance. However, attaching composites with mechanical fasteners like bolts and rivets can increase structural weight. Adhesive bonding emerges as a potential solution, offering weight savings without compromising strength. Challenges persist in designing adhesively bonded joints for composites, requiring extensive testing to determine joint strength. The present thesis aimed to investigate adhesive joints between carbon composite materials. The study involved experimental characterisation of 3MTM Scotch-WeldTM (EC-9323) epoxy adhesive to obtain mechanical properties that can be further used for the numerical simulation of bonded structures. With this purpose, four tests were performed: i. bulk tensile test, ii. thick adherend shear test (TAST), iii. double cantilever beam test (DCB), and iv. end-notched flexure (ENF). Additionally, the single-lap shear bond and peel strengths of composite-to-composite adhesive joints were experimentally characterised. Various combinations of composites were bonded using 3MTM Scotch-WeldTM (EC-9323) epoxy adhesive. Finally, a numerical study has been initiated; however, it remains in its preliminary stages, necessitating more improvement through future research. The test results effectively characterised the adhesive, offering a comprehensive understanding of bond strength and peel resistance in composite-to-composite joints. In conclusion, the results obtained in this study of adhesive carbon composite joints highlight the importance of material selection, manufacturing processes, and surface treatments in achieving adhesive joints' desired mechanical and fracture properties.