SHM応用のための圧電トランスデューサの熱可塑性複合材構造への効率的な接着手順と航空環境条件におけるその耐久性

An Efficient Procedure for Bonding Piezoelectric Transducers to Thermoplastic Composite Structures for SHM Application and Its Durability in Aeronautical Environmental Conditions.

抄録

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）複合材構造に接着された圧電トランスデューサー（PCT）は，航空機部品の正確な誘導波ベースの構造ヘルスモニタリング（SHM）のための信頼性の高いデータを提供するために，構造体に適切に接着されたままであるだけでなく，耐久性がなければなりません。エポキシ接着剤によってトランスデューサを複合材構造に接着する現在の方法は、補修が難しい、溶接性がない、硬化サイクルが長い、保存期間が短いなどの欠点がある。これらの欠点を克服するために、熱可塑性（TP）複合材構造体にトランスデューサを接着するための新しい効率的な手順が、TP接着フィルムを利用することによって開発された。用途に適したTPフィルム（TPF）を同定し、標準的な示差走査熱量測定（DSC）とシングルラップせん断（SLS）試験により特性評価を行い、それぞれの溶融挙動と接着強度を調べました。音響超音波複合トランスデューサー（AUCT）と呼ばれる特殊なPCTを、高性能TP複合材料（炭素繊維ポリ-エーテル-エーテル-ケトン）クーポンに、参照用接着剤（ロックタイトEA 9695）と選択したTPFで接着した。航空運用環境条件（AOEC）における接着されたAUCTの完全性と耐久性を、航空無線技術委員会の標準規格DO-160に従って評価した。実施されたAOEC試験は、低温および高温動作、熱サイクル、ホットウェット、流体感受性試験であった。AUCTの健全性と接合品質は、電気機械インピーダンス（EMI）分光法および超音波検査で評価した。AUCTの欠陥を人工的に作り、サセプタンススペクトル（SS）への影響を測定し、AOEC試験済みAUCTと比較した。その結果、AOEC試験後の接着AUCTのSS特性には、すべての接着ケースでわずかな変化が生じた。模擬欠陥のSS特性の変化をAOEC試験済みAUCTのそれと比較した結果、その変化は比較的小さく、したがってAUCTや接着層に深刻な劣化は生じていないと結論づけることができる。AOEC試験の中で最も重要な試験は流体感受性試験であり、SS特性に最も大きな変化をもたらすことが観察された。AOEC試験において、基準接着剤と選択したTPFで接着したAUCTの性能を比較すると、いくつかのTPF、例えばPontacol 22.100は基準接着剤を上回ったが、他のTPFは基準接着剤と同程度の性能であった。したがって、結論として、選択したTPFで接着したAUCTは、航空機構造物の運用および環境条件に耐えることができ、したがって、提案された手順は、簡単に設置でき、修理可能で、航空機構造物にセンサーを接着する、より信頼性の高い方法である。

Piezoceramic transducers (PCTs) bonded to carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composite structures must be durable as well as remain properly bonded to the structure in order to provide reliable data for accurate guided-wave-based structural health monitoring (SHM) of aeronautical components. The current method of bonding transducers to composite structures through epoxy adhesives faces some shortcomings, such as difficult reparability, lack of weldability, longer curing cycles, and shorter shelf life. To overcome these shortcomings, a new efficient procedure for bonding the transducers to thermoplastic (TP) composite structures was developed by utilizing TP adhesive films. Application-suitable TP films (TPFs) were identified and characterized through standard differential scanning calorimetry (DSC) and single lap shear (SLS) tests to study their melting behavior and bonding strength, respectively. Special PCTs called acousto-ultrasonic composite transducers (AUCTs) were bonded to high-performance TP composites (carbon fiber Poly-Ether-Ether-Ketone) coupons with a reference adhesive (Loctite EA 9695) and the selected TPFs. The integrity and durability of the bonded AUCTs in aeronautical operational environmental conditions (AOEC) were assessed in accordance to the standard Radio Technical Commission for Aeronautics DO-160. The AOEC tests performed were operating low and high temperatures, thermal cycling, hot-wet, and fluid susceptibility tests. The health and bonding quality of the AUCTs were evaluated by the electro-mechanical impedance (EMI) spectroscopy method and ultrasonic inspections. The AUCT defects were created artificially and their influence on the susceptance spectra (SS) was measured to compare them with the AOEC-tested AUCTs. The results show that a small change occurred in the SS characteristics of the bonded AUCTs in all of the adhesive cases after the AOEC tests. After comparing the changes in SS characteristics of simulated defects with that of the AOEC-tested AUCTs, the change is relatively smaller and therefore it can be concluded that no serious degradation of the AUCT or the adhesive layer has occurred. It was observed that the most critical tests among the AOEC tests are the fluid susceptibility tests, which can cause the biggest change in the SS characteristics. Comparing the performance of the AUCTs bonded with the reference adhesive and the selected TPFs in the AOEC tests, it was seen that some of the TPFs, e.g., Pontacol 22.100 outperforms the reference adhesive, while the other TPFs have similar performance to that of the reference adhesive. Therefore, in conclusion, the AUCTs bonded with the selected TPFs can withstand the operational and environmental conditions of an aircraft structure, and hence, the proposed procedure is easily installed, reparable, and a more reliable method of bonding sensors to aircraft structures.