Odpornoœć kompozytów epoksydowo

Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach
205
Patryk JAKUBCZAK*1, Jaros³aw BIENIAŒ1, Krzysztof DRAGAN2
Katedra In¿ynierii Materia³owej, Politechnika Lubelska, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, ul. Ksiêcia Boles³awa 6, 01-494 Warszawa
* e-mail: [email protected]
1
2
Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe
przy niskich prêdkoœciach
Streszczenie. Laminaty epoksydowo-wêglowe s¹ nowoczesnymi materia³ami konstrukcyjnymi stosowanymi przede
wszystkim w technice lotniczej z uwagi na wysokie w³aœciwoœci mechaniczne w odniesieniu do gêstoœci. W czasie eksploatacji poza w³asnoœciami wytrzyma³oœciowymi du¿e znaczenie ma tak¿e odpornoœæ na udarowe uderzenia skupione
(impact), w tym uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach. Przy dostatecznie niskich energiach nastêpuje utrata
spójnoœci wewn¹trz struktury w postaci delaminacji niewidocznych przy ocenie makroskopowej elementów. W pracy
przedstawiono badanie odpornoœci na uderzenia przy niskich energiach laminatów epoksydowo-wêglowych o ró¿nych
uk³adach w³ókien, wytworzonych metod¹ autoklawow¹ z jednokierunkowej taœmy preimpregnowanej. Zastosowano
energie uderzenia w zakresie 1,5-5 J. Wyznaczono wykres zmian si³y w czasie uderzenia, si³ê maksymaln¹ oraz si³ê
inicjacji utraty spójnoœci kompozytu. Ponadto wyznaczono obszar zniszczenia ultradŸwiêkow¹ metod¹ echa. Zauwa¿ono, ¿e uk³ady jednokierunkowe charakteryzuj¹ siê nisk¹ odpornoœci¹ na uderzenia. Uk³ady wielokierunkowe w mezoi makro- skali cechuj¹ siê odpornoœci¹ na udarowe uderzenia skupione w zakresie zastosowanych energii, jednak czêsto
trac¹ wewnêtrzn¹ spójnoœæ poprzez powstawanie delaminacji. Ponadto wraz ze wzrostem energii uderzenia wzrasta
obszar zniszczenia w laminatach epoksydowo-wêglowych.
RESISTANCE OF CARBON-EPOXY LAMINATES TO LOW-VELOCITY IMPACT
Summary. Carbon-epoxy laminates are modern construction materials used primarily in aerospace due to high
mechanical properties in relation to density. During operation, besides strength properties great importance has
resistance to impact, including the low-velocity impact. With sufficiently low energies of impact loss of cohesion
inside structure is created in the form of delaminations which are invisible in the macroscopic assessment of elements. The laminates response to low velocity impact of carbon-epoxy laminates using hemispherical tipped impactor (diameter 38.1 mm) were analyzed. Laminates with different layers configurations were manufactured by
autoclave method with unidirectional prepreg tapes. Impact energies in the range 1.5-5 J were applied. Diagram of
changes of force at the time were determined, maximum and also first crack initiation forces. Furthermore impact
damage zone was designated with ultrasonic methods. It was noted that unidirectional layouts have no practical
impact resistance. multidirectional systems in meso- and macro-scale is characterized by resistance to impact the
energy used, but often lose their internal cohesion in the form of delaminations. Moreover, with increasing impact
energy is increasing generated damage area.
1. Wprowadzenie
Kompozyty polimerowo-w³ókniste s¹ nowoczesnymi
materia³ami konstrukcyjnymi, które przede wszystkim
cechuj¹ siê wysok¹ wytrzyma³oœci¹ w³aœciw¹. Aktualnie
najszerzej stosowanymi przede wszystkim w przemyœle
lotniczym, okrêtowym i motoryzacyjnym s¹ laminaty o
osnowie ¿ywic epoksydowych z w³óknami szklanymi,
aramidowymi oraz wêglowymi jako zbrojeniem [1]. Najwy¿sze w³aœciwoœci mechaniczne charakteryzuj¹ kompozyty epoksydowo-wêglowe (CFRP), których wysok¹ jakoœæ i oczekiwane w³aœciwoœci zapewnia autoklawowa
metoda wytwarzania laminatów [2] (Jednoczesne dzia³ania ciœnienia zewnêtrznego, podciœnienia w worku pró¿niowym i temperatury eliminuje ze struktury wady w
postaci nadmiernej porowatoœci i delaminacji oraz zapewnia uzyskanie za³o¿onego udzia³u objêtoœciowego
w³ókien i osnowy).
Istnieje wiele krajowych i zagranicznych publikacji
oraz opracowañ opisuj¹cych w sposób jakoœciowy i
iloœciowy w³aœciwoœci tych materia³ów lub charakter
ich degradacji w czasie eksploatacji. Nieznaczna jednak ich czêœæ dotyczy odpornoœci tych laminatów na
udarowe uderzenia skupione przy niskich prêdkoœciach. Okazuje siê jednak, ¿e uderzenia szczególnie
przy niskich prêdkoœciach (<10 m/s) i ma³ych energiach powoduje utratê spójnoœci wewnêtrznej laminatów (np. epoksydowo-wêglowych) czêsto niewidocznej na powierzchni materia³u [3].
Wymagania stawiane materia³om kompozytowym w
czasie eksploatacji wykluczaj¹ tolerancjê na wystêpuj¹ce
i propaguj¹ce delaminacje. Dlatego te¿ wa¿ne jest aby
kszta³towaæ w³aœciwoœci laminatów epoksydowo-wêglowych w sposób zapewniaj¹cy ich odpornoœæ na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach i energiach.
2. Materia³ i metodyka badañ
Do wytworzenia laminatów u¿yto jednokierunkowej
preimpregnowanej taœmy epoksydowo-wêglowej (Hexcel, USA) – w³ókna wêglowe AS7J12K w osnowie ¿ywicy
epoksydowej (gruboϾ pojedynczej warstwy po utwar-
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
206
Patryk JAKUBCZAK*1, Jaros³aw BIENIAŒ1, Krzysztof DRAGAN2
dzeniu 0,13 mm). Laminaty wytworzono w nastêpuj¹cych konfiguracjach:
1. CFRP (0)8
2. CFRP (0/90)8
3. CFRP (±45)8
4. CFRP (0)12
5. CFRP (0/90)12
6. CFRP (±45)12
Kompozyt epoksydowo-wêglowy wytworzono metod¹ autoklawow¹ wg schematu przedstawionego na rysunku 1. Parametry procesu: ciœnienie 0,4 MPa, podciœnienie -0,081 MPa, temperatura utwardzania 130 °C, nagrzewanie i ch³odzenie 2 °C/min, czas utwardzania 2 godziny.
w czasie. W pierwszej fazie procesu dominuj¹c¹ rolê odgrywa sztywnoœæ materia³u. W dalszym etapie nastêpuje
penetracja i dynamiczna propagacja zniszczenia struktury kompozytowej.
Krzywe f-t w wielu przypadkach charakteryzuj¹ siê
jednorodnym przebiegiem, podobnie jak w wielu innych
badaniach [3,5]. Zaobserwowane wahania (piki zaburzaj¹ce p³ynnoœæ krzywych) w pocz¹tkowym okresie odpowiadaj¹ drganiom uk³adu i materia³u, w dalszym etapie
kolejnym uszkodzeniom materia³u. Rozpatrywane pojedynczo maj¹ rozmiar w skali mikro (pêkniêcia pojedynczych w³ókien, pêkniêcia miêdzy warstwami, stopniowe
pêkanie osnowy). Jednym z charakterystycznych punktów
krzywej jest punkt (Pi) nag³ego spadku si³y, który czêsto
jest rozpatrywany jako zdolnoœæ materia³u do przenoszenia uderzenia udarowego o okreœlonej energii i jednoczesny pocz¹tek jego degradacji [6,7]. Wartoœci si³y inicjacji (Pi)
s¹ niewyznaczalne dla wszystkich uk³adów i energii. Te, w
których wartoœæ jest jednoznaczna zauwa¿ono, ¿e s¹ to
wartoœci w zakresie 50-75% si³y maksymalnej.
Porównuj¹c poszczególne uk³ady przy uderzeniu
z okreœlon¹ energi¹ mo¿na zauwa¿yæ, ¿e uk³ady (0/90) i
(±45) nie ró¿ni¹ siê znacz¹co odpornoœci¹ na uderzenia.
Natomiast uk³ady o jednokierunkowym uk³adzie w³ókien zbroj¹cych (0) charakteryzuje siê ma³¹ odpornoœci¹
na uderzenia udarowe (wahania si³y w czasie wystêpuj¹
od pocz¹tku jej przy³o¿enia) (Rys. 2A). Podobnie wartoœæ
si³y maksymalnej jest ponad po³owê ni¿sza w stosunku
do pozosta³ych uk³adów. Wartoœæ si³y maksymalnej dla
tego uk³adu odgrywa minimaln¹ rolê w stosunku do pozosta³ych uk³adów. Stwierdzono, ¿e kompozyt uleg³
zniszczeniu wzd³u¿ kierunku u³o¿enia w³ókien ju¿ przy
energii 1,5 J co potwierdza ¿e na odpornoœæ na uderzenia
w tym przypadku wp³ywa g³ównie osnowa – ¿ywica epoksydowa. Ze wzglêdu na charakter uszkodzenia przy najmniejszej wartoœci energii laminatów jednokierunkowych nie poddano pozosta³ym próbom. W tabeli 1 przedstawiono wartoœci Pmax dla badanych kompozytów epoksydowo-wêglowych.
Rys. 1. Schemat procesu powstawania struktury kompozytowej [1]
Tabela 1. Wartoœci si³y maksymalnej (Pmax) i si³y inicjacji (Pi)
przy uderzeniu udarowym
Próbki o wymiarach 150×100 mm poddano badaniu
odpornoœci na uderzenia w temperaturze pokojowej. Wykorzystano m³ot spadowy INSTRON 9340, z pó³kulistym
bijakiem o œrednicy 1,5" (38,1 mm). Badanie przeprowadzono zgodnie z norm¹ ASTM D7136 [4] przy trzech ró¿nych energiach: 1,5, 2,5 i 5 J. Po uderzeniu kompozyty
poddano ocenie makroskopowej i nieniszcz¹cym badaniom ultradŸwiêkowym na urz¹dzeniu MAUS System.
3. Wyniki i dyskusja
Na rysunku 2 przedstawiono wykres si³a-czas (f-t)
przy uderzeniu udarowym laminatów CFRP w zale¿noœci od liczby warstw, uk³adów w³ókien i poziomów energii: (a) 1,5, (b) 2,5, (c) 5 J. Ka¿da z przedstawionych krzywych charakteryzuje siê wzrostem si³y w czasie, osi¹gniêciem si³y maksymalnej (Pmax) oraz oraz spadkiem si³y
konfiguracja
(0)8
(0)12
(0/90)8 (0/90)12 (±45)8 (±45)12
si³a [N]
energia [J]
Pmax
Pmax
Pmax
Pmax
Pmax
Pmax
80
115
181
220
180
220
2,5J
–
–
263
315
247
303
5J
–
–
377
466
396
467
1,5J
Wartoœci si³y maksymalnej dla badanych kompozytów epoksydowo-wêglowych ró¿ni¹ siê w zale¿noœci od
poszczególnych uk³adów oraz liczby warstw. (Rys. 2, Tabela 1). Inicjacja zniszczenia kompozytu roœnie wraz ze
wzrostem energii, przy czym wzrost ten jest silnie nieliniowy. Najwy¿sz¹ odpornoœci¹ na uderzenia charakteryzuj¹ siê uk³ady (0/90)12 oraz (±45)12, najni¿sz¹ uk³ad jednokierunkowy (tabela 1).
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach
207
A
1,5J
B
2,5J
C
5J
Rys. 2. Reprezentatywne wykresy si³a-czas dla laminatów CFRP przy próbie na impact (A – 1,5J, B – 2,5J, C – 5J)
Rysunek 3 przedstawia obszar wewnêtrznego zniszczenia po uderzeniu udarowym wybranych laminatów
epoksydowo-wêglowych. Amplitudowy obraz t³umienia
fal ultradŸwiêkowych w sposób rzeczywisty odwzorowuje kszta³t uszkodzenia. Ponadto zaobserwowano kierunkowy charakter tworzenia siê uszkodzenia (wzd³u¿
kierunku u³o¿enia w³ókien), co potwierdza w swoich badaniach laminatów metalowo-w³óknistych Liaw i wspó³autorzy [9].
Wielkoœæ obszaru uszkodzeñ wybranych laminatów
epoksydowo-wêglowych przedstawia rysunek 4.
Analiza pól powierzchni uszkodzeñ poszczególnych laminatów wskazuje na zale¿noœæ miêdzy wielkoœci¹ uszkodzenia wewnêtrznego a energi¹ uderzenia. Wraz ze wzrostem energii uderzenia niemal liniowo wzrasta pole powierzchni uszkodzenia. Podobn¹
zale¿noœæ otrzymali Hosseinzadeh i wspó³autorzy
[10]. Nie stwierdzono natomiast wyraŸnej zale¿noœci
wielkoœci pola powierzchni uszkodzenia w stosunku
do liczby warstw w kompozycie.
Rys. 4. Obszar uszkodzenia po uderzeniu udarowym laminatów epoksydowo-wêglowych w zale¿noœci od energii uderzenia.
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
208
Patryk JAKUBCZAK*1, Jaros³aw BIENIAŒ1, Krzysztof DRAGAN2
CFRP (±45)8
CFRP (±45)12
CFRP (0/90) 8
CFRP (0/90) 12
1,5 J
5J
1,5 J
5J
Rys. 3. Strefa zniszczenia po uderzeniu udarowym wybranych laminatów epoksydowo-wêglowych
— odpornoœæ laminatów epoksydowo-wêglowych zale-
4. Wnioski
Na podstawie przedstawionych badañ odpornoœci na
uderzenia przy niskich prêdkoœciach laminatów epoksydowo-wêglowych mo¿na stwierdziæ, ¿e:
—
¿y od liczby warstw kompozytu. Wraz ze wzrostem
liczby warstw wzrasta odpornoϾ na uderzenia,
kierunek u³o¿enia poszczególnych warstw laminatu
wp³ywa na odpornoœæ na uderzenia udarowe. Od-
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012
Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach
—
pornoœæ na uderzenia skupione uk³adów jednokierunkowych ogranicza siê jedynie do w³aœciwoœci
zwi¹zanych z osnow¹. Najwiêksza odpornoœæ na uderzenia maj¹ uk³ady o ró¿nokierunkowym uk³adzie
w³ókien,
wielkoœæ obszaru uszkodzenia wewnêtrznego po
uderzeniu wzrasta niemal liniowo ze wzrostem energii uderzenia nie przekraczaj¹cych wartoœci powoduj¹cych uszkodzenie zewnêtrzne.
Podziêkowania:
Badania realizowane w ramach Projektu „Nowoczesne
technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym”,
Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym
Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt wspó³finansowany
przez Uniê Europejsk¹ ze œrodków Europejskiego Funduszu
Rozwoju Regionalnego.
Literatura:
1.
2.
3.
Hodgkinson J.M.; Mechanical testing of advanced fibre
composites, Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC,
2000.
Surowska B., Bieniaœ J. Wytwarzanie kompozytów metod¹
autoklawow¹ i ocena ich jakoœci, konferencja Kompozyty
i Polimery Konstrukcyjne, Olsztyn 2011.
Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L.: Impact damage
characterization of carbon fiber/epoxy composites with
209
multi-layer reinforcement. Composites: Part B 2000, nr 31,
s. 681-691.
4. ASTM D7136, Standard test method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced-Polymer matrix
Composites to a Drop-Weight Impact event, Book of Standards 2005, Volume 15.03.
5. Sayer M., Bektas N.B., Sayman O.: An experimental investigation on the impact behavior of hybrid composite plates.
Composite Structures 2010, nr 92, s. 1256–1262
6. Nakatani H., Kosaka T., Osaka K., Sawada Y.: Damage characterization of titanium/GFRP hybrid laminates subjected
to low-velocity impact. Composites: Part A 42 (2011)
772–781.
7. Lawcock G. D., YeL., Maia Y. W., Sun C. T.: Effects of fibre/matrix adhesion on Carbon-fibre-reinforced metal laminates-II. Impact behaviour. Composites Science and Technology 57 (1997) 1621-1628.
8. Zhou G., Davies G.A.O.: Impact response of thick glass fibre
reinforced polyester laminates, Int. J. Impact Engng 1995,
Vol. 16, No. 3, s. 357-374.
9. Liaw B.M., Liu Y.X., Villars E.A.: Impact Damage Mechanisms in Fiber Metal Laminates, Proceedings of the SEM
Annual Cenference on Experimental and Applied Mechanics, Portland, Oregon.
10. Hosseinzadeh R., Shokrieh M.M., Lessard L.: Damage behavior of fiber reinforced composite plates subjected to drop
weight impacts, Composites Science and Technology 2006,
Nr 66, s. 61–68.
Przetwórstwo Tworzyw 3 (maj – czerwiec) 2012