Pobierz opis

Lublin 19 XI 2012
Mgr inż. Patryk Jakubczak
Katedra inżynierii Materiałowej
Politechnika Lubelska
Streszczenie pracy doktorskiej pt.
„Analiza zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych w wyniku obciążenia
dynamicznego z niską prędkością”
(zrealizowanej do dnia 19 XI 2012r)
Laminaty metalowo-włókniste (Fiber Metal Laminates – FML) są nowoczesnymi,
hybrydowymi materiałami konstrukcyjnymi, składają się z na przemian ułożonych warstw
kompozytu o osnowie polimerowej wzmacnianego włóknami oraz warstw metalu. Znajdują
zastosowanie na części poszyć samolotów i elementy usterzenia. Są silnie narażone na
bezpośredni kontakt z otoczeniem zewnętrznym [1]. Z uwagi na ich warunki eksploatacji
ważne jest aby odznaczały się jak najwyższą odpornością na obciążenia dynamiczne, które
w lotnictwie stały się istotnym zagadnieniem dopiero po serii katastrof lotniczych (np. Aloha
Airlines, lot nr 243). Ocena podatności laminatów metalowo-włóknistych na powstawanie
uszkodzeń na skutek obciążeń dynamicznych stanowi znaczny problem naukowy i praktyczny
[2]. Klasyczne próby udarności Charpy’ego lub Izoda stosowane w badaniach metali i
tworzyw sztucznych o strukturze warstwowej okazały się mało przydatne do oceny
odporności na uderzenia w FML [12]. Specyficzne cechy laminatów sprawiają, że materiały
te wymagają poszukiwania nowych metod oceny ich przydatności do pracy w warunkach
stwarzających zagrożenie wystąpienia m.in. obciążeń dynamicznych o niskich prędkościach.
Aspekt materiałowy ma tu największe znaczenie, ponieważ znajomość wpływu elementów
składowych laminatu na jego zachowanie się w sytuacji obciążenia dynamicznego oraz
mechanizm jego degradacji mają istotne znaczenie w procesie projektowania i eksploatacji
odpowiedzialnych konstrukcji lotniczych. Ponadto badania wstępne przeprowadzone na
laminatach epoksydowo-węglowych i warstwach metalowych wykazały, że odporność na
impact laminatów FML nie jest sumą odporności na uderzenia ich poszczególnych
komponentów [3,6].
Jednokrotne, obciążenie dynamiczne (udarowe uderzenie) siłą skupioną - impact jest
zjawiskiem, które można podzielić na: impact o niskich prędkościach (≤10m/s) oraz impact
o wysokich prędkościach (>10m/s). Impact o niskich prędkościach można podzielić
dodatkowo ze względu na wartości energii uderzenia (impact o niskiej (<10J) oraz o wysokiej
(≥10J) energii). Impact o wysokich prędkościach pozostawia widoczne zmiany w strukturze
laminatu, które można zidentyfikować metodami oceny makroskopowej. Natomiast po
uderzeniu z niską prędkością obserwuje się niszczące oddziaływanie wewnątrz laminatów
FML. Wykazano, że uderzenia poprzeczne w powierzchnie wykonane z laminatów FML,
spowodowane podczas naziemnej obsługi samolotów np. przez nieostrożnych mechaników,
wózki bagażowe, załadunkowe i techniczne, ciała stałe wyrzucone spod kół samolotu, ciała
stałe unoszone przez wiatr, mogą powodować poważne uszkodzenia wewnętrzne szczególnie
w warstwach kompozytu oraz w kluczowej w laminatach FML granicy rozdziału faz
metal/kompozyt. Przy niskich energiach impulsu obciążenia - rzędu kilku dżuli – w miejscu
uderzenia tworzy się niewielki, niekiedy trudny do zidentyfikowania obszar uszkodzenia.
Przy energia rzędu kilkudziesięciu dżuli na powierzchni przeciwległej od miejsca styku
wgłębnika uszkodzenie jest wyraźne i rozległe (uszkodzenie rozchodzi się stożkowo, ze
szczytem w miejscu uderzenia). Istnieje pewna energia graniczna fce (first crack energy),
która powoduje inicjację pęknięcia warstwy metalowej dla poszczególnych układów i
konfiguracji laminatów. Uszkodzenia po uderzeniu o niskiej prędkości powodują spadek
wartości wskaźników wytrzymałości. Z uwagi na tolerowanie w lotnictwie pewnych
poziomów uszkodzeń, należy dobrze poznać odporność laminatów FML na obciążenia
dynamiczne o niskich prędkościach, oraz poznać mechanizmy jakie zachodzą w strukturze
przy uderzeniu siłą skupioną.
Do tej pory pod względem odporności na obciążenia dynamiczne o niskich
prędkościach przebadane zostały głównie laminaty GLARE [5,7,8]. Badania te jednak są
wybiórcze i niepełne, gdyż nie przedstawiają korelacji między odpornością na obciążenia
dynamiczne o niskiej prędkości a budową laminatów oraz nie zawierają pełnej analizy
mechanizmów niszczenia tych materiałów. Laminaty CARALL nie były do tej pory
poddawane badaniom odporności na uderzenia dynamiczne o niskich prędkościach. Należy
pamiętać, że poznanie mechanizmów degradacji laminatów GLARE i CARALL na skutek
dynamicznie dostarczonej energii zapewnia możliwość kształtowania odporności na
uderzenia poprzez sterowanie budową laminatu. Prowadzenie badań odporności na obciążenia
dynamiczne o niskich prędkościach najpowszechniejszych laminatów FML jest więc
konieczne w kontekście aplikacji lotniczych tych materiałów.
Na podstawie przeglądu literatury oraz przeprowadzonych badań wstępnych i części
badań właściwych postawiono tezę, że:
Istnieje korelacja pomiędzy odpornością laminatów metalowo-włóknistych na obciążenia
dynamiczne o niskich prędkościach a objętościowym udziałem metalu i grubości laminatu
oraz sposobem ułożenia jego wewnętrznych warstw kompozytowych.
Celem naukowym pracy jest analiza procesu niszczenia struktury laminatów,
zachodzącego podczas dynamicznego obciążenia z niską prędkością.
Celem praktycznym jest ocena możliwości kształtowania odporności na impact
nowoczesnych laminatów metalowo-włóknistych, w szczególności wzmacnianych włóknem
węglowym, poprzez sterowanie ich budową.
Jako podstawowe kryterium odporności na obciążenia dynamiczne przyjęto wartości
sił charakterystycznych w czasie uderzenia oraz wartość pracy wykonanej przez wgłębnik dla
poszczególnych układów w zależności od ich budowy. Jako kryteria dodatkowe
uwzględnione zostaną: pole powierzchni powstałego uszkodzenia oraz wartość odkształcenia.
Przedmiot badań stanowią laminaty metalowo-włókniste:
- aluminium/kompozyt epoksydowo-szklany (Al/GFRP) złożony z blach ze stopu
aluminium gat. 2024 (EN AW-2024 (AlCu4Mg1)) po obróbce T3 (przesycony, odkształcony
na zimno i naturalnie starzony) o grubościach 0,3 i 0,5 mm połączonej z preimpregnowaną
taśmą szklaną TVR380 (na bazie włókien szklanych typu R i żywicy epoksydowej M12)
(Hexcel, USA) o nominalnej grubości warstwy po utwardzeniu 0,25 mm.
- aluminium/kompozyt epoksydowo-węglowy (Al/CFRP) na bazie stopu aluminium
EN AW-2024 oraz preimpregnowanej taśmy węglowej T700GC – włókna węglowe typu
AS7J, żywica epoksydowa M12 (Hexcel, USA) o nominalnej grubości warstwy po
utwardzeniu 0,13 mm.
Laminaty zostaną wytworzone dedykowaną do struktur lotniczych metodą autoklawową
w warunkach laboratoryjnych Katedry Inżynierii Materiałowej Politechniki Lubelskiej
(autoklaw - SCHOLZT MACHINENBAU).
Ramowy plan badań założony i realizowany w pracy doktorskiej został przedstawiony
na rysunku 1.
Plan badań
Lp.
1
Dobór układów warstw
2
Wytworzenie laminatów FML
3
Badanie odporności na obciążenia
dynamiczne o niskich prędkościach
4
Określenie energii pierwszego pęknięcia
fazy metalowej wybranych laminatów
5
Ocena
mechanizmów
zniszczenia
metodami makro- i mikroskopowymi
6
Badanie resztkowej wytrzymałości
ściskanie wybranych laminatów
- wyznaczenie krzywych siła-czas
- wyznaczenie głębokości
odkształcenia laminatów
- wyznaczenie pola powierzchni
obszaru zniszczenia
ultradźwiękową metodą echa
- mikroskopia stereoskopowa
- mikroskopia optyczna
- mikroskopia elektronowa
na
7
Badanie
odporności
wybranych
laminatów
FML
na
obciążenia
dynamiczne o niskich energiach
8
Statystyczne opracowanie wyników
- wyznaczenie krzywych siła-czas
- wyznaczenie obszaru i analiza
zniszczenia z wykorzystaniem
metod NDT
Rys. 1. Ramowy program badań
Analiza zniszczenia wybranych laminatów po uderzeniu o niskiej prędkości
potwierdza tezę, że manewrując cechami materiałowymi i konstrukcyjnymi laminatów FML
istnieje możliwość kształtowania ich odporności na obciążenia dynamiczne o niskich
prędkościach. W dotychczas przeprowadzonych badaniach wykazano że:
1.
Laminaty
metalowo-włókniste
typu
Al/CFRP
oraz
Al/GFRP
są
materiałami
charakteryzującymi się wysoką odpornością na jednokrotne uderzenia energią skupioną
o niskich prędkościach dzięki trwałemu połączeniu sprężysto-plastycznej fazy metalowej ze
sztywnym wypełnieniem kompozytowym.
2.
Założenie o proporcjonalnej i przewidywalnej korelacji objętościowej zawartości metalu
w laminacie nie jest spełnione w warunkach obciążeń dynamicznych o niskiej prędkości.
3.
Mechanizm niszczenia badanych laminatów FML jest złożonym procesem degradacji
materiału na skutek dostarczonej energii: odkształcanie sprężysto-plastyczne materiału,
pękanie poszczególnych komponentów oraz delaminacja o charakterze adhezyjnokohezyjnym na granicach fazy metal-kompozyt i między warstwami kompozytu.
4.
Stwierdzono, że istnieje możliwość kształtowania odporności laminatów FML na
obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach przez modyfikację ich budowy (zmianę
ułożenia kierunku warstw w wypełnieniu kompozytowym - wielokierunkowe konfiguracje
warstw poprawiają odporność na impact), modyfikowanie objętościowej zawartości metalu
w danym układzie oraz rozbudowywanie układów na bardziej złożone.
Literatura
1. Vlot A., Gunnink J.W.: Fiber Metal Laminates, Kluwert Academic Publishers,
Dordrecht (2001)
2. Wu G G., Yang J.-M.: The mechanical behavior of glare laminates for aircraft
structures, JOM, 75, 72-79 (2005).
3. Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L.: Impact damage characterization of
carbon fibre/epoxy composites with multi-layer reinforcement, Compos Part BEng.,31,681-691 (2000).
4. Vlot A., Krull M.: Impact Damage Resistance of Various Fiber Metal Laminates, J.
Phys IV France 7, Paris, France, 1997.
5. 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.
6. 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.
7. Caprino G., Spatarob G., Del Luongo S.: Low-velocity impact behaviour of
fibreglass–aluminium laminates. Composites: Part A 35 (2004) 605–616.
8. Ardakani M.A., Khatibi A.A., Ghazavi S.A.: A study on the manufacturing of GlassFiber-Reinforced Aluminum Laminates and the effect of interfacial adhesive bonding
on the impact behavior, Proceedings of the XIth International Congress and
Exposition, June 2-5, Orlando, Florida USA, 2008.
9. Bełzowski A., Rechul Z., Stasieńko J.: Uszkodzenia udarowe w laminacie
wzmocnionym tkaniną szklaną, Kompozyty 5/2002