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

Význam tématu

Použití kompozitních materiálů na bázi uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice v leteckém průmyslu stále roste. S tím roste i potřeba rychlých a neinvazivních metod monitoringu degradace pryskyřice vlivem teplotních či chemických stresů. Přenosné FTIR analyzátory umožňují molekulární analýzu přímo na místě, což zkracuje dobu a náklady kontroly.

Cíle a přehled studie / článku

Projekt ve spolupráci s University of Delaware Center for Composite Materials se zaměřil na:

• Ověření schopnosti přenosného FTIR (Agilent 4100 ExoScan) detekovat molekulární změny v epoxid-karbonovém kompozitu po tepelném namáhání.
• Korelace spektrálních změn s výsledky mechanického testu krátkého beam shear (SBS) jako ukazatel pevnostního poklesu.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorky: Cytec 977-3/IM7 epoxid-karbon kompozit.
• Tepelná expozice: 15 min při 350–550 °F (177–288 °C).
• FTIR měření: Agilent 4100 ExoScan, rozlišení 8 cm⁻¹, doba měření ~30 s na místo.
• Mechanický test: SBS na 7 replikátech pro každou teplotu.
• Datová analýza: PLS s předzpracováním Savitzky-Golay první derivací a mean centering; křížová validace R=0.95.
• Instrumentace:
  • Agilent 4100 ExoScan FTIR (integrovaný ruční analyzátor).
  • Agilent 4200 FlexScan FTIR (oddělená optika a elektronika pro užší prostory).

Hlavní výsledky a diskuse

• S rostoucí teplotou se ve spektru objevují intenzivní karbonylové pásy u ~1680 a 1720 cm⁻¹, signalizující oxidaci epoxidu.
• Další změny ve fingerprint oblasti naznačují rozklad polymerního řetězce.
• SBS pevnost klesá se zvyšující se teplotou a koreluje se spektrálními změnami.
• PLS model dosáhl vysoké prediktivní přesnosti: průměrná chyba 1.89 % v rámci validace (běžná odchylka SBS 3–8 %).

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje:

• Okamžité vyhodnocení stavu kompozitních dílů bez nutnosti odběru vzorků.
• Prevence kritického poškození a zajištění bezpečnosti provozu.
• Snížení časových a finančních nákladů spojených s laboratorními testy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření aplikace na jiné kompozity, kovy a keramiku.
• Integrace pokročilých chemometrických metod pro zlepšení citlivosti.
• Využití menšího 4200 FlexScan analyzátoru v stísněných prostorech.
• Detekce povrchových kontaminací a monitorování nátěrů.

Závěr

Handheld FTIR prokázal schopnost detekovat a kvantifikovat tepelnou degradaci epoxid-karbon kompozitů a predikovat pokles mechanické pevnosti. Spektrální data úspěšně korelují s výsledky SBS, čímž se metoda stává efektivním nástrojem pro neinvazivní kontrolu kvality a údržbu kompozitních struktur.

Reference

• Rein A., Seelenbinder J. Composite thermal damage – correlation of short beam shear data with FTIR spectroscopy. Agilent Technologies, Application Note, 2015.