Date of Award

11-2020

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Prof. Abdel-Hamid Ismail Mourad

Abstract

Fibre-reinforced polymeric composites used for aerospace applications are subjected to different environmental conditions during their operational life, such as moisture and temperature, which can adversely affect their performance over time. On the other hand, the standard fabrication process of these composite aircraft components requires a certain level of in-process vacuum compaction during the composite lay-up process to ensure the escape of entrapped air between the composite layers to prevent the formation of voids, through the application of bleeders/breathers around the composite laminate known for creating a channel for air to escape through. The aim of this study is to evaluate the effect of moisture and temperature on the integrity of plain weave is woven carbon/epoxy laminated composites for both compacted and non-compacted groups, where the compacted group included the application of both in-process compactions during the composite lay-up process and the use of bleeders/breathers around the laminate, while the non-compacted group did not. Twelve-ply specimens were fabricated and immersed in water heating chambers maintained at different immersion temperatures of 40°C, 70°C and 95°C for a period that varied from one to 10 months. Mechanical, physical, and thermal properties were experimentally investigated, and the effects of temperature, moisture, and immersion time on the deterioration of the composite material were studied against both compacted and non-compacted groups. Results revealed that moisture and temperature have a deteriorative impact on the performance of the composite, and it was observed that high temperatures accelerate the degradation mechanism in the composite. An insignificant difference was observed in the thermomechanical properties between compacted and non-compacted specimens at the immersion temperatures of 40°C and 70°C, but slight degradation was observed at the immersion temperature of 95°C, which indicates that in-process compaction and application of bleeders/breathers for twelve-ply monolithic laminates may be required at high-temperature applications.

Arabic Abstract

تتعرض المواد المركبة البوليمرية المقواة بالألياف (Fiber reinforced polymeric composites) المستخدمة في تطبيقات قطاع الطيران والفضاء الجوي لظروف بيئية مختلفة خلال حياتها التشغيلية، مثل الرطوبة ودرجة الحرارة، والتي يمكن أن تؤثر سلباً على أدائها بمرور الوقت. ومن جهة أخرى، تتطلب عملية تصنيع أجزاء هياكل الطائرات المصنوعة من المواد المركبة هذه على مستوى معين من الضغط وتفريغ الهواء (in-process vacuum compaction) أثناء عملية التصنيع (lay-up process) لضمان خروج الهواء المحتبس بين طبقات المادة المركبة لمنع تكون الفراغات (voids/porosity) فيها، من خلال تطبيق النازفات/المتنفسات (bleeders/breathers) حول الصفحية المركبة التي تعرف بإنشاء قناة لخروج الهواء من خلالها. الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تأثير الرطوبة ودرجة الحرارة على سلامة المواد المركبة المنسوجة من صفائح الكربون/الإيبوكسي لكل من المجموعتين المضغوطة وغير المضغوطة (compacted and non-compacted)، حيث تضمنت المجموعة المضغوطة تطبيق كل من عمليات الضغط أثناء عملية التصنيع، كما تضمنت استخدام النازفات/المتنفسات حول الصفائح، بينما لم تتضمنها المجموعة غير المضغوطة. تم تصنيع عينات مكونة من اثنتي عشرة طبقة وتم غمرها في غرف تسخين المياه محفوظة بدرجات حرارة مختلفة: من 40 درجة مئوية، 70 درجة مئوية، و95 درجة مئوية لفترة زمنية تتراوح من شهر إلى 10 أشهر. تم دراسة الخواص الميكانيكية والفيزيائية والحرارية اختبارياً ودراسة تأثيرات درجة الحرارة والرطوبة وزمن الغمر على تدهور المادة المركبة ضد كل من المجموعتين المضغوطة وغير المضغوطة. أظهرت النتائج أن الرطوبة ودرجة الحرارة لهما تأثير سلبي على أداء المواد المركبة، كما لوحظ أن ارتفاع درجات الحرارة يسرع من آلية التحلل في المواد المركبة. أشارت النتائج إلى وجود اختلاف ضئيل في الخواص الحرارية الميكانيكية بين العينات المضغوطة وغير المضغوطة عند درجات حرارة الغمر البالغة 40 درجة مئوية و70 درجة مئوية، ولكن لوحظ تدهور طفيف عند درجة حرارة الغمر البالغة 95 درجة مئوية، مما يشير إلى أن الضغط أثناء عملية التصنيع وتطبيق النازفات/المتنفسات للصفائح المكونة من اثنتي عشرة طبقة قد يكون مطلوباً في تطبيقات درجات الحرارة العالية.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: المواد المركبة من صفائح الكربون/الإيبوكسي المنسوج، تأثير الرطوبة ودرجة الحرارة، الخصائص الميكانيكية والحرارية، مقارنة بين المواد المركبة المضغوطة وغير المضغوطة.

Download

Included in

Engineering Commons

COinS