radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

5
Radiation processing of carbon ®bre-reinforced advanced composites Ajit Singh * AHA Enterprises, 822 Gulfview Place, Victoria, BC, Canada V8Y 2R6 Abstract Carbon ®bre-reinforced advanced composites are being used for a variety of structural applications, because of their useful mechanical properties, including high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. Thermal curing of composite products results in internal stresses, due to the mismatch of the coecients of expansion of the tools and the composite products. Because radiation curing can be done at ambient temperatures, the possibility that the residual stresses might be absent, or much lower in the radiation-cured products, originally led to the start of work on radiation curing of advanced composites at AECL's Whiteshell Laboratories in Pinawa, Canada, in 1985. Research work during the last two decades has shown that advanced composites can be radiation-cured with electron beams or c radiation. Many of the advantages of radiation curing, as compared to thermal curing, which include curing at ambient tem- perature, reduced curing time, improved resin stability and reduced volatile emissions, have now been demonstrated. The initial work focussed on electron curing of acrylated epoxy matrices. Since then, procedures have been developed to radiation cure conventional aerospace epoxies, as well. Electron beam cured advanced composites are now being de- veloped for use in the aircraft and aerospace industry. Repair of advanced composite structures is also possible using radiation curing technology. Radiation curing work is continuing at Pinawa and has also been done by Aerospatiale, who have facilities for electron curing composite rocket motor casings and by Chappas and co-workers who have electron cured part of a boat hull. In this paper, the work done on this emerging new technology by the various groups is brie¯y reviewed. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PACS: 61.80; 81.20; 83.70.D; 83.80 Keywords: Radiation curing; Radiation processing; Advanced composites; Carbon ®bre; Epoxy; Aerospace materials 1. Introduction Carbon ®bre-reinforced epoxy composites are being used for many applications, because of their useful mechanical properties, including high strength-to-weight and stiness-to-weight ratios, corrosion resistance, impact and damage toler- ance characteristics and wear properties. The in- dustries that use these composites include aircraft, aerospace, marine, transport and sporting goods. Thermal curing is the dominant industrial pro- cess to manufacture advanced composite products. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 185 2001) 50±54 www.elsevier.com/locate/nimb * Tel.: +1-250-658-5575. E-mail address: [email protected] A. Singh). 0168-583X/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0168-583X01)00753-4

Upload: ajit-singh

Post on 16-Sep-2016

217 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

��������� ������� �� ���� ������������������ ���������

���� ��� � �

��� ��������� � ������� ������ ������� ��� ������ ��� ��

��������

����� ����������� ������� ��������� �� ���� ���� �� � ������ �� ������� ������������ ������ �� ����

������ �������� ��������� ������� �� � ���� ��������� �� ���� ��� ������ ��������� ����� ��� ��

�������� ������ ������ �� ������� �������� ��� �� ��� ������� �� ��� ��!����� �� �"������� �� ��� ����� ��� ���

�������� ������� #����� �������� ��� �� �� ���� �� ������� ����������� ��� ����������� ���� ��� �������

������� �� �� �� ������� � ��� ���� �� ��� ������������ ������� �� ������ ��� �� ��� ���� �� ��$ �� ��������

��� �� ������� ��������� �� �%�&'� (��������� &��������� �� )������ ������� �� *+,-� ������ ��$ ����

��� ���� ��� ������ ��� ����� ���� ������� ��������� �� �� ������������ ���� ������ ����� � � ���������.��� �� ��� ������� �� �� �������� ��� � �� ������ �� ������ ��� � ���� ������ ��� �� ������� ����

������� ����� ��� ����� ������� ���� ��������� ��� ����� �������� ���������� ���� ��� ���� ������������

�� ������� ��$ ������� �� ������ ��� �� ������� ���"� ������� ���� ����� ������� ���� ���� ��������� ��

�������� �� ����������� ������� ���"���� �� ����� %����� ���� ��� ������� ��������� �� ��� ���� ���

������� �� ��� �� ��� ����� ��� ������� �������� ����� �� ������� �������� ������� �� ���� �������� ����

�������� ��� ������� �� ��������� ��� ��$ �� �������� �� )����� ��� ��� ���� ���� ���� �� ������������

��� ���� ��������� �� ������ ��� �������� �$�� ���� ���� � ��� �� ������� ��� ����$�� ��� ����

������ ��� ��� �� � ���� ����� /� ���� ����� ��� ��$ ���� �� ���� ��� �� ��� ������� � �� ��� ������ ����

�� ���0� �������� � 122* %������ ����� #�3� ��� � ��� �������

���� 4*�,25 ,*�125 ,6�72�85 ,6�,2

!�"���� ��������� ��� 5 ��������� ������� 5 ������� ���������5 ����� ���5 %��"�5 ������� ��������

� ���� ������

����� ����������� ���"� ��������� ������ ���� �� ���� ������������ ������ ��

���� ������ �������� ��������� ������� �� ����� ��������� �� ��� ���9����������� �� ������������ ��������� ����� ��� ���� � �������� ���������� ��� ��� ��������� �� ���������� ���� ��� ����� ��������� ������ �������������� ������ ������� ��� ������ ����� ����� ��� �� ��� �������� ��������� ������ �� ��������� ������� �������� �������

:���� /��������� ��� .������ �� )����� ������ # *,- ;122*< -2=->

��������������?�����?����

� ���@ A*�1-2�4-,�--7-�

�#$�� ����� ��� ����B������������ ;�� ��� �<�

2*4,�-,6C?2*?D � ��� ���� ����� � 122* %������ ����� #�3� ��� � ��� �������

)//@ �2*4, �-,6C;2* <227-6 �>

Page 2: Radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

8�� �� ��� ��$ �� ������ � ��� ���� ;��� E*=>F��� ����� ������� �� ����< �������� �������� ?��� ;������� �� ������ ���������< ������� ��������� �� ��� �� �� � ����� ������������ %����� ������� �� ��������� ���� ������������ �� �������� ������ ���� ����������� ��������� ������� ������� �������?���������� � ���������� ���� ������ ������� ������� ������ E*=>F� �� ����� �� ��� �������� ������� �� ���

����� ���� �� ��� �������� ������ �� ��� ��������� �� ���� ��� ��� ����� ������������ ����������� E-=7F�

.���" ����� ������� ������

� ��� ������ �*�

(���� �������$�� �� ��� ����" �� ��� ���� ������ �������� ��� �������� ���� �� ������������� ��� �������� �� ������ ������� ��� ���������/� ���� ����� ��� �� ��� ���� �� ��� ������

������ �� ���� ������� � �� ��� ���� ��� ����������� ��� ���� ������������ �� ���� ����E*=>F� �� ���0� ��������

� � �������� �� �� ������ ������

*� ����% �� �$&��� ��$��������@ G� ������ ���� �������� ������ ���� �� �� $��� �� ������� �������� ���� ����� ��� ����������� 8���� ������ ��� ��� ���� ���������� ��� ����� ��� ������ ��� ����� ���� ����� ��� ��9���� �"���� ���� ����� �� ��� �������������� �� ������ �"������� ��!����� ����� ���� ��� ��� ������ �� ���� ������� ���������� �� ������ �9�� �� ����� ��9������� ��� ���������� �� ������� ������� �� ����������� ����� E,F� #����� �������� ���� �� �� ���� �� ������� ���������� ������ ��������� ��� �� �� ��� �������� ������ �� �� $��� ��� ������ ���� ���� ������ ��� � ��� ������� ������� �� ��� ������������� �������� ������ ������ �� ������� ���� ����� �� ��� �������� ��� �������� �� ��� ���� ����������� �� ��������� ��� E+F�

1� ������� ����% �$�@ ����� ���� �H���� ���� ���� ����������� ���"� ����������� ����� *22 $I� E*=>F� � -2 $(� *2 .�3� ������� ������� �� ������ ���� ���� �� +22 $ ?� �� �������� ������� +-J ������������ �� ���������� ��� -2J ��������� �� ��� ���������� ��� � �� ��� ������ /� ��������� ������� �������� �� �� ����� 122 $ ?� ����������

6� '$������ ��� ��&��"@ .��� ������������������� �� ��� ������ ������� �� ��� ����������� ��$�� ��� ��������� ���� � ����������� ��� �� �� �9���� �� �� �� ;�������K3<� �� ���� ������ �� ����� �� ���H�����������

>� ������� ������� �$��@ 3������� ���������������� ������ ��� ���� �� �� ��L������ ��� �H��� ���� ������ E,F� ������������ ����� ��� �������� ��������� ���������� E*2F�

-� '$������ $������ (�����%@ ���� ���������������� �� ����� ���������� ��������� �� ����������� ������� �� ������� �� �� �������� �� �� �� �������� ����� ��� ���� ������ �������� ������� /� ��������� ��������� ������ ���� �� �� ����������� ��������� ���� �� � ���� ����� �� ������ ��� ���� ���������

4� ����� ���@ /��������� �� �� ������ ���������� ��� ������ ��� �� ������� ������� ���� ��9���� ����" ������ �� ������� /���� ��� �� ������ ��� � ��� �H���� ��� ������ �� ��� ��� ������ �� ��� �������� ���� ������ ��� ���� ��� ����

7� '$������ $������ ��$���&��"@ ������������������ ��������� �� � ���� � ������������ ��"���� �� ����� �� � ���� ���� �������� ��� ���� ���� �� �� ���� �� ��� ������������ ����� ��� ������ ������������������� ����������� ����� ��� �� ��������� ������ ���� ��"�� ���� �� ������� �� ������� �� ��� ������ �� �

,� )��%� �������@ /� �������� ��� �� � ������;������ ����� ��� ��� ����< �� �� ������������ ;�� ��� ���� ���� �� ����������� E>F<� ��������� �� ��� ������ �� ��� �������� ������� ��� ���� ��������� �� ��� �� �� ����K��H�� ���������� �����H��� ���� ����

�* ��%( + ,���* '���* ��� -��(* � �("* ��* � .�/ 0 11.2 /13/4 -*

Page 3: Radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

��������� �� ��� )����� ��� ��� ���� �� ��������� ���� ��$� ��� ��������� �� �"�������� � ������� ��������� ����� ��� ������� ������� ����� �� �����������

+� 5(�6 �������@ �� )����� ��� ��� ������������ �������� ��� �� ������ �� �� *-2�� ���$ E1F� ��$ ������ �� �������� ������ ��� ����� ��� ��� ������������ ���������E1�6F�

*2� )���� ����% ���@ �� ��� � ��� �� ��������� ��� ���� ��������� �� �� ����� � ������ - ���� ���� ���� �H���� �� ������ ��� E+�**F� �� ������ ��� �� ��� ��� ���� ���������� �� �� 12=62J ���� �� �������� ��� ���� �� ������ ��� E>�+�**F�

� ���������� ��� �� ������ ������

%���� ��$ �� �������� ��� ��� ���� ����������� ���"��� E*=6�+F� %"������� ������ ���������� ���� ���� ���� ����� ����" ����� ���H���� �� H������ ���� �� ��� �� ������� ������ E*1F� M������ ��� ���� ��$ �� &������� ��� E>F ��� �� �������'� ��� E*6F ������� ����� �������� �� ���� �� ��� ���"��� ���� �� ������� ������� �� ��� �� ��������� �� �������� ������ �� ���� ������ � ��� �� �� ��������� �N8 ���� �� ��$ ���� ������� �������� ������� ��� ������� � �� ��������� ��� ���������� ���� � �� � ������ �� �������� �������� �� ��� �� ��� �"����� ��������� ������������������� M������ �� ��� �� � �������� ������� ���� �� �� ����������� ��� �������� ������� ��� �� �� ��� ���� �� �� ����������� ����� ��� ��� ���� ���� ��� ���� ��� ��� ������� �� ����� ��� ������ �� ������ ����������� ��� ������ ������ ����� �� ���������� �������� ���� ��� � 8��� ������ ��� ���� �������� ������ ����� ���� �������M������ �� �� ��!���� ���� � ��� ����������� ��$��� �������� ������ ���� ������ ���� �������� ��� � M������ ��� ��$ ���� �� ������� ���� E*=>F ����� ���� ���������� ��������� ������ �� �� ���� �� �������� ��� �������� ��� ���������� �� ������ ���� ��� �

� �� ������ �������

%����� �������� ����� �� �� ��� ������� ����� �� ��� ���������� ���� �� �� ��������� ���� � ����� �� �� ����� �����������'�������� ������� ��� � *2 .�3 ������ �������� E*F� O� ������� ���� �� ��� ��� �� ����*2 .�3 ������� ;�� ���� �������< ��� *2 .�3C���� ;�� ���$ �������< �� ��� ������������������� �� ��$ ���� �� )����� ;�%�& ������/O:< ��� ���� ���� *2 .�3 ������ ��������� ��� ���� *2 .�3 C����� �� ������� ���������������� ��� �� � I��������112 ;�%�&<�� �������� ��$ E1�>F� (�$ �� ������� ����� E6F ��� ���� ���� ������ ���� *2 .�3 ��������������� �� ������� ������ ������ �� ��� ����� ����� �������� ����� ���� ���� �������� �������� ��$��� �� � ��� E1�6F�

� ���������������

���@ � �� � ����� �� ������� ���"������ ���� ����� ����� ��� ����������� ���"����� �� ���� �� �������� ��� �� ���������������� �� ����� �� ��� ��$ �� ��� ������ ���� ��� ��� ���� ��� ������ E*=>�*6�*>F� ��)����� ��� ����� ���� �� ���� ����� �� �������� ���������� �� ��$ ���� ���� ��� ������� ����� ��� ������� ��� �9�� �� ���������;���� ��������� ����� ��<� �� ������ �������������� ����������� �� ���� ��������� ������������ �9�� �� ���� ���� ������������ ��������$ ������� �� ��� ��� ����" ������ ��������$� �� ���� ������ ����������� ��� ���������� ���� ���� ��� � G� ��� ��� �� ��������� ��� ������� � �� ��� ����� ��� ����������� ���������� ��� ������� �� �� ������������ ���"��� ��� ���� � ���� ���$���� �� ��� ��� ������� �� ��� )����� ��� �� �����$ ���� �� ����������� ���� �� O�$ ��� �:������� &������� ��� ���� � K� I��������� ������ ����� ;���8�< E>F� ��� ��$����� &����� �� ��� E>F � �N8 *22 ���� �� *++7� �� ��$ ���� �� �������'� ��� ��� ���� ������������ ���������� �� ���� ������� � E*6F�

-1 �* ��%( + ,���* '���* ��� -��(* � �("* ��* � .�/ 0 11.2 /13/4

Page 4: Radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

�� ��������� �� �������� ��� �� ��� ����������� ���� ���� ������ �������� E*=>�4�7�*6�*>F�

7�� �����$����� ��� ������� ����%@ I��������� ��� �������� ���� �H���� �� �� � ����"���� �� ��������� �� ������ �������� ��������� ;8.�<� � �� #��� ������� ������������E1�6F ���� �� ���� ������� � � ���$���� ���� ������� �� &����� �� ��� E>F� � ��� ���� ��$ �� ��� ���8� ������ ���� ���� ���������� �� ������� ���� �������� �����H���� �������� ��� ���� �H���� �� �� � ����"����� ��� ������ �� ��� ����� �"���� ���� ��������� ��� �� �� �"������ ������ �� ����������� ���� ����� ��� ����� �� ���$ ��������� �� ��� ��� ������ &����� �� ��� ���������� ���� ��� ���� �H���� �� ����� �� � ����"���� �� ������ ��������� ��� ����� �� ����� �� ������ �� �� ���� ��� ���� �H���� ������� ��� ���$ ��������� ���� � ���������;��� E1� ���� *F<�

��$���� ��&������ ��� ����"�@ �� ������H��� ���� �� ������� ��������� ���� ���������� ������ ��� ������� ������� �� ����� ����� �� ������� ������ � ���� ������ �������� ��� ��������� E*=6F� ���� ��� ������� ����� ����� �� ������� ��������� �� ��� ���� �������� ��� ������������� �� ���������� �� ��������� ��� ������� ���$ ���������;�� �� *-2 ��<� ��������� �������� ��"�� ����� ��� ��������� �������� ������ ��������� ��������� �� �������� �������� �� ������ ��������� ���� ���� ��������� �� ������� ����������� �������� ������� 8.�� �������� ���� ��� 0�"��� ���� �� ��� ������������� �� E*=>�**F� �� �������� ���� �� ���������� ��� ����" ����� ������ ���� ����� ���������� ���� ���� ��� ������ ��� �������� ��������� E*=>�**F� �� )����� ��� ��� ���� ������� ���� ��� �� ��� ��L�� � �� �9�� ����������� �� ��� ������������ ��������� E1F�

5����%@ ���� �������� ��� �� �������� ������ ������� ��������� ��� ��� ��������� ��� ������� ����� � �� �� �� $��� ����� �� �������� ��� ��� ��� ;���� ���� ��� ���?� �����������������<� ���� ���"������� ����� �� �� ������ ������� �������� ����� �� � ���� E1�6F� ����� ��� �� ��� ��������� �� ��� �������� ���

������� �� /��������� ��� )����� ��� �������� ���� �������� ��������� ���� ��� ��������� �9�� ��� �������� �������� �� ������ �������� E1F�

��$���� �����@ (�$ ���� ���� ������������ ��������� ����� ������ �� ��� ���� ���������� ������� ���� ������ ��� ;E>F ���������� �� ��<�

���@ �� ���� ������ ���� ������� ���"�����" ����� �� ������� �� �� ���� ���� �������"���� �� ��$ ���� �� ��� )����� ��� �������� ���� �������� ������ ���� ��� ��� ���������� ;�*J< �� ������ �� �������� �� ��������� E*�>F�

'������� ���@ (�$ �� ��� )����� ��� �������� ���� ������� ������� �� ������ ������������ �� ��� ���� ���� ����� �� ����������� ��������� E+F�

���@ �� �������� ������� �� ��� �������� ������ ������� ������� �� �������� ��� �������� � �� ���� ���� ��� ��� ������� � ����� ����� ���� ���� �� ������ E*=6F�

'������� ������@ /�������� ������� ��� ������������ ���� �� �������� ��� ������� � ���������� ������� �����������'� ����������� �$�� ���� ���� � ;�� �� 1 � �� ���������� 4�- � �� ��� ��< ��� ��������� ��� ��� ������������� ��� �� ��� ������� � E*F� /������������������� �� ��� ��$ �� ��� )����� ���;�%�&� ��� ���/O:< ��� ���� H���� �� �� .������� ����� ��� ������� �������� �� :�������� ���� ��$�� ���� ��� )����� ����)��� �� ��� ��$ ���� ���� ���� �������� �� ���8����� ������ %������������ )���� �� 3������� #�� ������ ��� �� ��� K� 8�������� ��%�� � = 8����� )� ��� ���� � ��� ���8������ ��� �� O�$ ��� � :������� &��������O�$ ��� �� �������� ;&�$���� .���� %�� ��������< E*�>F� � ��� �� ��� ��$ �� ��������� ��� E6�**F ��� ���� �������� �� ��� K� ���� ��� ��� ���� ���� � ����������� ���� �� �������� �� ���� �� �������� ���������� ���� ������ ��������� ������� � E>F� ������� � ��������� ��������� �������� ���� �� ���� ������� ������������ �������� ���� �� ��� ������������ �� � ������ �������� E*-F� �� ������������� ��� ������ �������� � *?*2�� ����

�* ��%( + ,���* '���* ��� -��(* � �("* ��* � .�/ 0 11.2 /13/4 -6

Page 5: Radiation processing of carbon fibre-reinforced advanced composites

�������� &���� 3����� ��H��� ���� �� ���$ ������� ;)�����< E*-F�

� ������ ��� �������

��������� ��� ������� � �� ���������������� ��� ��� �� �� � ������ ��� ��������� ���������� �� ������ ��� � �� ���� ��������� ������� �� ������ � ��� �� �� ���������� �N8 ���� �� ��$ �� ���� ���� �������� �� ����� ��� ������� �� �������

����������

E*F 8� #�L���� )� )������"� P� I����� ������� )���� ����� >,

;*++4< *7*�

E1F �� ��� �� ��#� �������� Q�(� #����� 3�Q� &������ (�

R����� �%� .8�� ���� .� ���� � .� ��������

������� )���� ����� >, ;*++4< *-6�

E6F (�Q� �������� #�I� 8������ ��)� O���� � (�&� .&�� ��

���� ������� )���� ����� -4 ;*+++< >*7�

E>F 3�Q� &������ ��#� �������� �� ��� �� ��Q� Q��$��

I�%� (���� ��Q� M������ ������� )���� ����� -4 ;*+++<

>2-�

E-F .� 8��� ;%��<� �� ��������� �������� �� .�������

����� 3���� / ��� //� ������ )���� :�� P�$� *+71�

*+76�

E4F &�(� 8�$���� �� ��� �� ������� )���� ����� 6* ;*+,7<

-,7�

E7F ��Q� (����� ��R� )�$���� ������� ��������� ��������@

��������� )������ � (����� :�� P�$� *++>�

E,F Q�(� (������ 8�.� )����� R�&� ������ %� �����'

I���� �� ��������� .������� ������ ������ �� .���

���� OM� *+,7�

E+F ��#� �������� 3�Q� &������ (� R����� �%� .8���

���� .� �������� �� ��� �� ��@ )������ � �� ��� 6,��

��.)% ��������� *++6� �� *4,*�

E*2F ��&� /������ ��#� �������� �%� .8�� ���� (� R��

���� 3�Q� &������ �� ��� �� 8� R���$�� ��@ )������ �

�� ��� /����������� ��������� �� ����� /���� �������

����������� %������� R������� I�����5 /������

������ ����� %�� � � ���� 3������ *++1� �� 116�

E**F (�Q� �������� #�I� 8������ ��Q� 3�LL���� ��������� ���

���������� K� ��� ������ 88�%27�+>����O>6�

G���� ������ *++>�

E*1F ���� &������ ��@ ���� 8����� ;%��<� ���������� %� ��

����� .������� M������$� 3��� *� ��. /������������

OM� *+,7� �� 6,�

E*6F Q�3� �������� ��� (������ �� .���$� ����� .���� +

;*++7< *176�

E*>F .� �������$���� (�&� .&�� ����� ������� )���� �����

>, ;*++4< 12*�

E*-F &������ )������ ������������ 1222�

-> �* ��%( + ,���* '���* ��� -��(* � �("* ��* � .�/ 0 11.2 /13/4