Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Characterization of GFRP interlayer as barrier layer in Al/CFRP laminate

Surowska B., Ostapiuk M.

Composites Theory and Practice

|

2017

|

R. 17, nr 4

232--237

EN

Carbon fibre reinforced polymers (CFRPs) are an attractive construction material with an increasingly wide scope of application, including the aircraft industry. By combining them with metal elements and producing fibre metal laminates (FMLs), it is possible to achieve higher mechanical properties than in the case of combinations with glass fibre reinforced polymer (GFRP). However, there is a problem associated with galvanic corrosion regarding combinations with aluminium and its alloys, stainless steel and with magnesium alloys because CFRP composites are electrical conductors. Adhesives with increasingly higher resistivity are applied in adhesive bonding technology. Fibre metal laminates (FMLs), particularly those dedicated for aircraft primary structures must be not only corrosion resistant, but first of all they must be characterized by a proper combination of mechanical properties, including fatigue features. Therefore, when designing the metal surface treatment and the type of interlayers, it is necessary to consider the joint adhesion, mechanical properties of the hybrid laminate and corrosion properties. This article presents the characterization of an interface microstructure: the anodic layer on the AA 2024 aluminium alloy-GFRP-CFRP interlayer of hybrid laminates with electrical properties presented in a previous publication. The observations have been carried out on cross-sections of Al/GFRP-R/CFRP, Al/GFRP-S/CFRP and Al/CFRP laminates in a 2/1 layout with fibres oriented in the 0° direction. Moreover, impedance measurement was performed for the oxide layer in contact with a 3.5% aqueous NaCl solution by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). It has been found that the low contact resistivity between the laminate with the GFRP-S interlayer was caused by carbon fibre migration to the Al/GFRP-S boundary. Furthermore, the low surface resistance of the CFRP composite and the porosity of the outer part of the oxide layer on aluminium enables the diffusion of aggressive ions and migration of electrical charge towards the metal substrate, which poses a threat of corrosion initiation in moisture condensation conditions.

PL

Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknem węglowym (CFRP) są atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym o coraz szerszym zastosowaniu, w tym w lotnictwie. Łączenie ich z elementami metalowymi oraz wytwarzanie laminatów metalowo-włóknistych (FML) pozwala na uzyskanie wyższych właściwości mechanicznych od połączeń z kompozytem wzmacnianym włóknem szklanym (GFRP). Niestety, dla połączeń z aluminium i jego stopami, stalą nierdzewną, stopami magnezu problemem jest korozja galwaniczna, ponieważ kompozyty CFRP są przewodnikami prądu. Do łączenia technologią klejenia stosuje się kleje o coraz wyższej rezystywności. FML przeznaczone zwłaszcza na lotnicze struktury pierwszorzędowe (ang. aircraft primery structures) muszą nie tylko być odporne na korozję, ale przede wszystkim muszą mieć odpowiedni zestaw właściwości mechanicznych, w tym zmęczeniowych. Dlatego projektowanie obróbki powierzchni metalu i rodzaju międzywarstw musi uwzględniać adhezję połączenia, właściwości mechaniczne hybrydowego laminatu i właściwości korozyjne. W artykule przedstawiono badania mikrostruktury interfejsu: warstwa anodowa na stopie aluminium AA 2024- międzywarstwa GFRP-CFRP laminatów hybrydowych o właściwościach elektrycznych przedstawionych we wcześniejszej publikacji. Obserwacje wykonano na przekrojach laminatów Al/GFRP-R/CFRP, Al/GFRP-S/CFRP oraz Al/CFRP w układzie 2/1 z włóknem w kierunku 0°. Ponadto wykonano pomiar impedancji dla warstwy tlenkowej w kontakcie z 3.5% wodnym roztworem NaCl metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Stwierdzono, że przyczyną niskiej rezystywności kontaktowej laminatu z międzywarstwą GFRP-S była migracja włókna węglowego do granicy Al/GFRP-S. Ponadto niska rezystancja powierzchniowa kompozytu CFRP i porowatość zewnętrznej części warstwy tlenkowej na aluminium umożliwia dyfuzję agresywnych jonów i wędrówkę ładunku elektrycznego w kierunku podłoża metalowego, co stwarza zagrożenie inicjowania korozji w warunkach kondensacji wilgoci.

2

Failure analysis of poly(phenylene sulphide)/short glass fibre composite in bending strength test

Ostapiuk M.

Inżynieria Materiałowa

|

2016

|

Vol. 37, nr 5

272--277

EN

Nowadays polymer composites are one of the most popular materials in the field of science and applying engineering. They combine various advantages, which are easy to manufacture, cost effectiveness and excellent performance. The great importance is choosing of an appropriate matrix for special composites elements working in different conditions. Very interesting technical material seems to be the thermoplastic resin poly (phenylene sulphide) (PPS) which can be used in automobiles, aircrafts and electro-/electronics technologies. Conventional thermoset composites have in recent years successfully found engineering applications but in contrast to PPS they have been limited for applying at higher temperature and difficulties in recycling. Regarding the lack of knowledge in terms of precise understanding on the failure basis, there has been not many publications on the degradation mechanisms of PPS with short glass fibres. In this article, the PPS/fibre fillers (containing 30% and 40% short glass fibers) has been introduced. It has been showed and discussed the phenomena and structure characterization after three point bending tests. It was carried out the macro- and microstructural observation. The plots of stress vs displacement indicate to brittle materials behaviour. All samples of the PPS 30% and PPS 40% composites subjected to 3-points bending test were destroyed in in the centre of the sample. It was confirmed that in short fibre composites, generally, the failure process is dictated by fibre/matrix separation which usually starts near the fibre ends. The scheme of cracking is similar regardless of fibre content. The bending stresses were higher in the composite with higher volume fraction of fibres.

PL

Istnieje niewiele doniesień w literaturze na temat zjawisk zachodzących w kompozytach termoplastycznych podczas badań wytrzymałościowych, a w szczególności dotyczy to kompozytów wzmacnianych krótkimi włóknami. Dlatego celem artykułu jest analiza zniszczenia i zmian w strukturze kompozytu o osnowie poli(siarczku fenylenu) (PPS) wzmacnianego krótkimi włóknami szklanymi w badaniach wytrzymałości 3-punktowego zginania.

3

Micro-CT analysis of bonding of conventional and glass fibre composite fillings

Surowska B., Ostapiuk M., Tarczydło B.

Engineering of Biomaterials

|

2016

|

Vol. 19, no. 138 spec. iss.

39

4

Analiza mikro-CT zębów trzonowych wypełnianych kompozytem konwencjonalnym i wzmacnianym włóknem szklanym

Surowska B., Ostapiuk M., Tarczydło B.

Engineering of Biomaterials

|

2016

|

Vol. 19, no. 137

13--19

PL

Utrata tkanek zmineralizowanych zęba zarówno w efekcie procesów patologicznych, jak i samego leczenia jest czynnikiem decydującym o osłabieniu zęba. Najczęściej pojawiają się pęknięcia na powierzchni wypełnienia w następstwie powtarzających się cykli nagryzień. Rozprzestrzeniają się one wówczas w zębie i wypełnieniach. Pęknięcia obok mikroprzecieków są jednym z głównych powodów wymiany wypełnień. Ostatnio najczęściej wybieranymi, zarówno przez lekarzy stomatologów jak i pacjentów, materiałami odtwórczymi są materiały kompozytowe. Istnieje wiele sposobów zwiększania odporności mechanicznej kompozytów stomatologicznych np. umieszczanie ich w formie licowania na konstrukcjach metalowych lub wprowadzania do ich wnętrza różnego rodzaju włókien: szklanych, węglowych, poliaramidowych lub polietylenowych. Jednym z takich innowacyjnych materiałów jest everX Posterior firmy GC, kompozyt wzmocniony krótkim włóknem szklanym. Materiał ten posiada właściwości mechaniczne zbliżone do zębiny, używany jest do wypełnień ubytków w zębach bocznych jako pierwsza warstwa odtwarzająca zębinę. Zaawansowana nieniszcząca technika obrazowania struktur za pomocą tomografii komputerowej (CT) stanowi doskonałe narzędzie analizy jakości materiałów. Dlatego w prezentowanej pracy zastosowano technikę mikro-CT do analizy jakości wypełnienia i połączenia dwóch materiałów do odbudowy ubytków. W badaniu wykorzystano zęby trzonowe trzecie bez próchnicy usunięte ze względów ortodontycznych. Biomateriał kompozytowy wzmocniony włóknem szklanym everX Posterior firmy GC aplikowano jedną 2-3 mm warstwą, a następnie aplikowano kompozyt konwencjonalny Filtek Z250, 3M ESPE metodą warstwową 2-3 mm. Analizowana struktura zęba oraz materiałów kompozytowych potwierdza wysokiej jakości wypełnienia. Brak porowatości oraz szczeliny brzeżnej pozwala na wyeliminowanie mikro-przecieków pomiędzy wypełnieniami a tkanką zęba. Ponadto, granica rozdziału pomiędzy kompozytem wzmacnianym włóknami a kompozytem wzmacnianym nanocząstkami wydaje się doskonała.

EN

The loss of mineralized tissues of the tooth as a result of pathogenic processes and treatment is the principal factor leading to tooth weakening. Most frequently, the cracks occur on the filling surface as a result of repeatable cycles of bites. They propagate in the tooth and the filling. The cracks belong to the reasons of filling's replacement and consequently affecting filling's durability. Recently, composite materials are most frequently selected by the dentists and patients as reconstruction materials. There are many ways of increasing mechanical resistance of dental composites e.g. their location in the form of facing on metal structures or introduction of various fibres made of glass, carbon, aramid or polyethy-lene. EverX Posterior is manufactured by GC in the form of composite reinforced with short glass fibres. The properties of this material are similar to the properties of dentine. Therefore it is used for cavity filling in side teeth as the first layer of dentine reconstruction. Advanced non-destructive structures imaging technique by means of computer tomography (CT) is an excellent tool used for materials quality analysis. So the micro-CT analysis of quality and joining of restorative materials based on different filler was presented in this paper. Third molars without caries, extracted due to orthodontic reasons, have been used in the test. Composite biomaterial reinforced with glass fibre - everX Posterior by GC – was applied in the form of single layer and next Filtek Z250, 3M ESPE conventional composite was applied in the form of layer with a thickness of 2-3 mm. Analysed structure of the tooth and composite materials confirms the high quality of the restoration. The filling received by layer technique is free of porosities, thus suggesting the lack of micro-leakages between the filling and tooth tissues. Moreover, the interface between the fibre reinforced and particle reinforced nanocomposite biomaterials seems to be ideal.

5

Electrical properties of aluminium-fibre reinforced composite laminates

Surowska B., Ostapiuk M.

Composites Theory and Practice

|

2016

|

R. 16, nr 4

223--229

EN

Hybrid materials such as Fibre Metal Laminates (FMLs) containing carbon fibre reinforced polymers (CFRPs) are very attractive candidates for novel design strategies due to their specific properties. However, Fibre Metal Laminates (FMLs) may be susceptible to galvanic and electrochemical corrosion in a damp environment due to the applied metal sheets. Aluminium alloy-glass/epoxy composite FMLs exhibit high corrosion resistance. Their corrosion process is limited to the metal outer layers if they are not protected because glass fibre reinforced composites are non-conductive. Galvanic corrosion initiation is likely when a composite contains carbon fibres, owing to the electric conductivity of these fibres. Therefore, it is necessary to determine the electrical properties of the produced hybrid materials. Measurements were made to determine the surface resistivity of components and contact resistivity of the laminates. Investigations were conducted on on a polymer composite and FMLs consisting of aluminium 2024-T3 joined with GFRPs (R-glass, S-glass) and CFRP. The aluminium alloy sheet was anodized in a sulphuric acid solution (SAA process). The composite plates and hybrid laminates were cured in the autoclave process. The surface resistance of the materials was determined by measuring the drop in current using the two probe method and strip electrodes. In the laminate specimens, the electrodes were placed in the longitudinal direction between the corresponding layers. The interlaminar interface properties of these laminates were studied by measuring the contact electrical resistivity of this interface. Moreover, the variation in temperature with time during electrical measurements was recorded by means of the thermovision technique for the composite specimens. This study revealed that the aluminium oxide and GFRP-R composite are insulators with very high but negative surface resistivity. The surface resistivity of the CFRP composite is equal to about 102 ÷103Ω/ and depends on the direction of the fibres. When the electrodes are located perpendicularly to the fibres, the surface resistivity is lower and the surface temperature increases locally. Generally the contact resistivity of this composite is ~103 times higher than indicated in literature. It is a result of the high quality of the prepreg and autoclave curing of the laminate. The measurements of electrical contact resistivity indicated that it is possible to obtain a dielectric interface between the aluminium alloy and carbon reinforced composite by anodizing the aluminium and applying aglass prepreg layer 0.25 mm thick. The thinner glass composite layer does not increase the in-plane contact resistivity.

PL

Laminaty metalowo-włókniste (FML) zawierające kompozyt wzmacniany włóknem węglowym (CFRP) są atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym ze względu na specyficzne właściwości mechaniczne i elektryczne. Problemem w FML jest podatność na korozję galwaniczną w wilgotnym środowisku ze względu na obecność warstw metalu. W przypadku laminatów stop aluminium-kompozyt wzmacniany włóknem szklanym (GFRP) korozja ograniczona jest tylko do zewnętrznych powierzchni metalu, jeśli nie są one zabezpieczone warstwą antykorozyjną. W laminatach wzmacnianych włóknem węglowym prawdopodobieństwo zaistnienia korozji jest znacznie wyższe z powodu przewodności elektrycznej włókien. Dlatego projektując materiały, w których włókno przewodzące pełni rolę sensora z wykorzystaniem również właściwości piezomechanicznych, konieczna jest znajomość właściwości elektrycznych komponentów oraz wytworzonych materiałów na równi z ich właściwościami mechanicznymi. W pracy przedstawiono pomiary rezystywności powierzchniowej komponentów - anodowanej w roztworze kwasu siarkowego (SAA) blachy ze stopu AW2024T3 oraz kompozytów lotniczych CFRP, GFRP-R i GFRP-S utwardzanych autoklawowo i rezystywności kontaktowej laminatów hybrydowych aluminium - CFRP oraz aluminium - GFRPCFRP. Rezystywność powierzchniową kompozytu węglowego wyznaczano przy umieszczeniu elektrod paskowych równolegle i poprzecznie do kierunku włókien. W laminatach elektrody wklejono pomiędzy blachę i kompozyt oraz pomiędzy kompozyty węglowy i szklany, równolegle do przebiegu włókien. Podczas pomiarów rezystywności powierzchniowej mierzono zmianę temperatury, wykorzystując kamerę termowizyjną. W wyniku badań wykazano bardzo wysoką rezystywność warstwy anodowanej, porównywalną z rezystywnością kompozytu GFRP, potwierdzając właściwości izolacyjne tych materiałów. Kompozyt CFRP charakteryzuje słaba przewodność elektryczna, przy czym rezystywność jest o trzy rzędy wyższa od spotykanej w literaturze. Ponieważ badany kompozyt należy do wysokojakościowych z certyfikatem lotniczym i utwardzany był w autoklawie, cechuje się dużą jednorodnością strukturalną, znikomą porowatością i wysoką czystością powierzchni, co przekłada się na wyższą wartość rezystancji. Pomiary rezystywności kontaktowej w układzie płaskim (‘in-plane”) wykazały, że na granicy kompozytu CFRP z aluminium i z kompozytem GFRP rezystywność odpowiada rezystywności powierzchniowej CFRP, co świadczy o uzyskaniu bariery izolacyjnej.

6

Comparative analysis of failure of Al/GFRP laminates after tensile strength test

Ostapiuk M., Surowska B.

Composites Theory and Practice

|

2015

|

R. 15, nr 4

259--265

EN

Fibre-metal laminates are modern composite materials that are replacing certain metal elements in aircraft structures. Such hybrid materials have synergic properties determined by their component properties and configuration. This article presents studies of GLARE laminates consisting of aluminium and glass-epoxy composite sheets manufactured using the autoclave method. 2024T3 aluminium alloy sheets were subjected to chromic acid anodising (CAA) and sulphuric acid anodising (SAA). Three different lay-up configurations of the composite layers were used in the structure of 2/1 laminates: [0°], [0/90°] and [±45°]. Tensile strength studies were conducted using a strength testing machine (MTS 322) in accordance with the ASTM standard for composite materials. Microstructural and fractographic observations were conducted using an optical microscope and a scanning electron microscope (Zeiss Ultra Plus, NovaNanoSEM 450). The tensile strength test did not result in cracking of the metal plies; it was the composite that underwent degradation. After the test, the samples were found to have undergone deformation and delamination as a result of the tension; the laminates with an SAA layer were more greatly affected. The plastic range properties are determined by the fibre configuration. The metal/composite adhesion force was higher than the cohesive force in the composite for all the configurations. The degradation mechanism of the laminate structure during uniaxial tensile strength tests does not depend on the type of anodised layer. The configuration of the fibrous composite layers affects the propagation of cracks in the composite area. Transverse cracking of the fibres, cracking of the anodised layer and decohesion of the matrix with tearing-out of fibres were observed in all the cases. The surface morphology of the fracture caused by the decohesion of the composite in an FML is of the same nature as the fracture in the composite material.

PL

Laminaty metalowo-włókniste to współczesne materiały złożone zastępujące niektóre elementy metalowe w konstrukcjach lotniczych. Taki materiał hybrydowy posiada właściwości synergiczne, determinowane właściwościami komponentów i ich konfiguracją. W niniejszej pracy przedstawiono badania laminatów typu Glare, składających się z blach aluminium i kompozytu epoksydowo-szklanego, wytworzonych metodą autoklawową. Blachy ze stopu aluminium gat. 2024T3 anodowano w roztworze kwasu chromowego (CAA) oraz w roztworze kwasu siarkowego (SAA). W budowie laminatów 2/1 wykorzystane zostały trzy różne konfiguracje ułożenia warstw kompozytu: [0°], [0/90°] oraz [±45°]. Badania wytrzymałości na rozciąganie zostały przeprowadzone przy użyciu maszyny wytrzymałościowej (MTS 322) zgodnie z normą ASTM dla materiałów kompozytowych. Obserwacje mikrostrukturalne i fraktograficzne zostały przeprowadzone przy użyciu mikroskopu optycznego i skaningowej mikroskopii elektronowej (Zeiss Ultra Plus, NovaNanoSEM 450). W teście rozciągania nie nastąpiło pęknięcie warstw metalu, degradacji uległ kompozyt. Po zakończeniu testu wystąpiła deformacja próbek i ich rozwarstwienie na skutek naprężenia, silniejszy efekt zaobserwowano w laminatach z warstwą SAA. O właściwościach w zakresie plastycznym decyduje konfiguracja włókien. We wszystkich układach siła adhezji metal/kompozyt przewyższała siłę kohezji w kompozycie. Mechanizm degradacji struktury laminatów podczas jednoosiowego rozciągania nie zależy od typu warstwy anodowej. Konfiguracja warstw kompozytu włóknistego wpływa na propagację pęknięć w obszarze kompozytu. We wszystkich przypadkach nastąpiło pękanie poprzeczne włókien, pękanie warstwy anodowej oraz dekohezja osnowy z odrywaniem włókien. Morfologia powierzchni przełomu powstałego w wyniku dekohezji kompozytu w FML ma taki sam charakter jak przełom w materiale kompozytowym.

7

Methods of ultrasonic testing, as an effective way of estimating durability and diagnosing operational capability of composite laminates used in aerospace industry

Bieniaś J., Jakubczak P., Majerski K., Ostapiuk M., Surowska B.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2013

|

Vol. 15, no. 3

284-289

EN

The paper presents selected issues in the field of exploitation research and the prediction capabilities of durability of composite laminates by ultrasonic methods used in the aerospace industry. Some research methods allow to set the quality parameters and operating in real aircraft structures. The study determined the relationship between the amplitude decrease of the ultrasonic wave and the level of porosity for hand lay-up manufactured glass / epoxy laminate using the method Through-Transmission of representative in C (TT C-Scan). In addition, showing the ability of amplitude attenuation imaging methods to detect and determine the extent of damage of high quality laminate and metal fiber composite after at low-dynamic velocity. It was specified real area an internal damage in FML laminates subjected to dynamic impact on low-energy, for which there was no visible damage in the outer layers. The study also determined the relationship between energy and the impact of dynamic surface area in testing laminates.

PL

W pracy przedstawiono wybrane zagadnienia z zakresu badań zdolności eksploatacyjnych oraz prognozowania trwałości metodami ultradźwiękowymi laminatów kompozytowych stosowanych w przemyśle lotniczym. Wybrane metody badawcze umożliwiają określenie parametrów jakościowych jak i eksploatacyjnych rzeczywistych struktur lotniczych. W pracy określono zależność pomiędzy wartością spadku amplitudy fali ultradźwiękowej a poziomem porowatościdla wytworzonego metodą laminowania ręcznegolaminatu szklano/epoksydowego przy użyciu metody Through-Transmissionw zobrazowaniu w trybie C (TT C-Scan). Dodatkowo pokazano zdolność metody obrazowania tłumienia amplitudowego do wykrywania i określania wielkości uszkodzeń wysokojakościowych laminatów kompozytowych i metalowo włóknistych po uderzeniach dynamicznych o niskich prędkościach. Określono rzeczywiste pola powierzchni uszkodzeń wewnętrznych laminatów FML poddanych uderzeniom dynamicznym o niskich energiach, dla których nie odnotowano widocznych uszkodzeń w warstwach zewnętrznych. W pracy wyznaczono również zależność pomiędzy energią uderzenia dynamicznego a polem powierzchni uszkodzenia badanych laminatów.

8

Structure characteristics in glass/aluminium hybrid laminates after bending strength test

Ostapiuk M., Surowska B., Bieniaś J., Majerski K.

Composites Theory and Practice

|

2013

|

R. 13, nr 4

237--240

EN

During the last few years, many scientists and industries have become interested in developing new materials which would maintain good mechanical properties and low density comparable with aluminum alloys. This can be observed predominantly in the aircraft or aerospace industry. Fiber metal laminates (FML) are a new kind of composite, particularly the Glare® type laminate, which consists of aluminum and a glass/epoxy composite. FML combine both the good characteristics of metal such as ductility and durability with the benefits of fiber composite materials such as high specific strength, high specific stiffness, good corrosion resistance and fatigue resistance. In this paper, an FML consisting of aluminum and glass fiber/epoxy layers has been introduced. The FML were produced by the autoclave technique. The aluminum sheets were special prepared with chromic acid and sulphuric acid aluminum anodizing. Two combinations of fiber configuration were selected: Al/[0]/Al and Al[0/90]/Al. The structure characterization after bending tests is shown and discussed. Microstructural analysis has been carried out using an optical microscope. The three point.bending tests were conducted according to standard specifications. Preliminary studies have shown that the metal layers in the laminates and the composite polymer layer, particularly in the bend area in the laminate, have a significant impact on the nature of the damage. Laminate destruction indicates the complexity of the degradation process of these materials. The orientation of the reinforcing fibers has an influence on the degree of destruction of the laminate structure which may have a decisive effect on the ability of forming laminates. An important factor influencing the properties of the laminate as a whole is to provide high adhesive properties of the composite-metal connections.

PL

W ciągu ostatnich kilkunastu lat zarówno wielu naukowców, jak i branże przemysłu zainteresowały się opracowaniem nowych materiałów, które posiadałyby dobre właściwości mechaniczne i małą gęstość, porównywalne ze stopami aluminium. W szczególności można zaobserwować to w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Laminaty metalowo-włókniste ze względu na swoje wysokie właściwości mechaniczne znalazły zastosowanie właśnie w przemyśle lotniczym; dotyczy to zwłaszcza laminatów typu Glare®. Posiadają one, tak jak metale, zespół dobrych charakterystyk, takich jak plastyczność i trwałość. Korzyści płynące z włókien kompozytowych to między innymi wysoka wytrzymałość, wysoka sztywność, odporność na korozję i odporność na zmęczenie mechaniczne. W artykule przedstawiona została charakterystyka laminatów metalowo-włóknistych na bazie aluminium i włókien szklanych po badaniach wytrzymałości na zginanie. Laminaty zostały wytworzone metodą autoklawową. Zastosowano dwa typy anodowania aluminium w kwasie chromowym i w kwasie siarkowym. Wybrano dwie kombinacje ułożenia włókien: Al/[0]/Al i Al[0/90]/Al. Przedstawiono charakterystykę struktury po badaniach wytrzymałości na zginanie za pomocą mikroskopii optycznej. Testy wytrzymałości na zginanie przeprowadzono zgodnie z normą. Wstępne próby wykazały, że istotny wpływ na charakter zniszczenia mają warstwy metalowe w laminatach i warstwy kompozytu polimerowego zwłaszcza w miejscu zgięcia laminatu. Zniszczenie laminatów wskazuje na złożoność procesu degradacji tych materiałów. Orientacja włókien wzmacniających ma wpływ na wielkość zniszczenia struktury laminatu, które może mieć decydujący wpływ na zdolność do formowania laminatów. Ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości laminatów jako całości jest zapewnienie wysokiej wytrzymałości adhezyjnych połączeń metalowo-kompozytowych.

9

Identyfikacja porowatości w kompozytach węglowo i szklano/epoksydowych metodą mikrotomografii komputerowej

Majerski K., Bieniaś J., Ostapiuk M.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2012

|

[R.] 18, nr 2

98-102

PL

Rentgenowska mikrotomografia komputerowa jest nieniszczącą metodą badawczą umożliwiającą wykrywanie oraz trójwymiarowe obrazowanie nieciągłości strukturalnych wewnątrz kompozytowych materiałów polimerowych. Celem pracy było wykorzystanie mikrotomografii do określenia poziomu porowatości oraz kształtu i rozmieszczenia porów w strukturze kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami. Materiał badawczy stanowiły wytworzone metodą autoklawową kompozyty polimerowe wzmacniane tkaniną szklaną oraz węglową. W pracy podjęto próbę określenia ilościowej zawartości porowatości oraz przedstawiono wyniki rekonstrukcji dwu i trójwymiarowej materiału badawczego. Dodatkowo w ramach pracy wykonano i porównano przestrzenne modele binarne obrazujące rozmieszczenie oraz rozmiar nieciągłości struktury w objętości badanych materiałów. W wyniku przeprowadzonej analizy stwierdzono występowanie porowatości w badanych materiałach na poziomie poniżej 1%.

EN

X-ray computed micro-tomography is a non-destructive test method that allows detection and three-dimensional imaging of structural discontinuities within the composite polymer materials. The aim of this study was to use micro-tomography to determine the level of porosity and pore shape and distribution in the structure of fiber reinforced polymer composites. The studied material was produced by autoclaving method as polymer composites reinforced with glass and carbon fabric. This paper attempts to quantitatively determine the porosity content and the results of two-and three-dimensional reconstruction of the research materials. In addition, the work performed and compared the spatial distribution models of binary imaging and size structure of the discontinuity in the volume of test materials. The materials porosity was determined at less than 1%.

10

Identyfikacja nieciągłości w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej

Ostapiuk M., Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2012

|

[R.] 18, nr 2

93-97

PL

Kompozytowe konstrukcje sandwiczowe są stosowane na szeroką skalę w konstrukcjach lekkich. W lotnictwie wewnątrz paneli stosowane są niemetaliczne struktury sandwiczowe zawierające wypełniacz ulowy Nomex jako standardowy rdzeń. Niektóre z defektów takie jak nieciągłości, pustki lub deformacje w ściankach wypełniacza ulowego mogą powstawać podczas procesu wytwarzania, stąd niezbędna staje się ocena jakości struktury. Nieciągłości w kompozytowych panelach sandwiczowych wykonywanych na pokrycia śmigłowca zostały poddane analizie wykorzystując technikę rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej. Szczegółowe obserwacje struktury wykazały obecność nieciągłości w obszarze przejścia z wypełniacza ulowego do laminatu oraz w przekrojach ukośnych wypełniacza. Wydłużone nieciągłości stanowiły powyżej 80% defektów, wykazując tym samym charakter delaminacji. Rozmiar i ilość defektów przekroczył dopuszczalny poziom akceptowalności przyjętej w lotnictwie.

EN

Composite sandwich constructions are widely used in various lightweight structures. The non-metallic sandwich structures containing Nomex honeycomb as a standard core are used for interior panels for aircraft. Some defects as discontinuities, voids or deformation of honeycomb walls can be formed during manufacture, so the quality inspection of the structure is necessary. The discontinuities in a composite sandwich panel of helicopter cover were analyzed using X-ray computed microtomography techniques. The detailed observations of the structure showed the discontinuities presence in the area with diagonally cut across honeycomb and in the laminate. Elongated of the discontinuities constitute above 80% of the defects. They have a delamination character. The size and amount of manufacturing defects exceed acceptable limits in aerospace technology.

11

Charakterystyka mikrostrukturalna wybranych laminatów metalowo-włóknistych

Ostapiuk M., Surowska B.

Przetwórstwo Tworzyw

|

2012

|

[R.] 18, nr 3

262-265

PL

Laminaty metalowo-włókniste stanowią grupę materiałów o potencjalnym zastosowaniu m.in. w strukturach lotniczych, zastępujących stopy metali lub tradycyjne, wzmacniane włóknami kompozyty polimerowe. Jest to stosunkowo nowa grupa materiałów, nad którą wciąż są prowadzone badania. W pracy przedstawiono charakterystykę mikrostrukturalną wybranych hybrydowych laminatów FML na bazie aluminium i kompozytu o osnowie epoksydowej wzmacnianego włóknami szklanymi. Głównymi czynnikami wpływającymi na właściwości mikrostrukturalne laminatów jest jakość wykonania połączenia komponentów: stopu aluminium i kompozytu epoksydowo-szklanego. Przedstawiono charakterystyczne cechy granicy rozdziału anodowanego stopu aluminium i materiału kompozytowego. Zauważono, że w procesie łączenia powstaje połączenie adhezyjne żywica polimerowa - warstwa anodowa, bez bezpośredniego udziału włókien zbrojących.

EN

Fiber Metal Laminates are the main group of hybrid composites used in aviation structures. Many times they substitute alloy metals or traditional polymer composites. This is a new group of materials, where the area of research is not completed. In this article a microstructural characterization of selected hybrid Fiber Metal Laminates is presented. The base are aluminum alloy and polymer composite with glass fiber. The main factor which has got the influence for microstructural properties is the quality of manufacturing the structure. An interface between the aluminum alloy and polymer is a key factor of the adhesive.

12

Numerical FEM analysis for the part of composite helicopter rotor blade

Dębski H., Ostapiuk M.

Journal of KONES

|

2012

|

Vol. 19, No. 1

71-77

EN

Composites are a group of materials applied more extensively in aviation constructions. Their good physicalchemical and mechanical properties, and particularly from the ratio of strength to low density give a dominant place for applying in thin- walled constructions as a load carrying-capacity structure. One of the most effort parts of the helicopter is the thin-walled structure of rotor blade. The numerical calculations are a very helpful tool for solutions and analysis of materials. In this paper was presented the preliminary analysis of the effort of composite materials. Then it was possible to identify the region where is the high risk of failure in load-carrying capacity structure. The numerical tool applied to the analysis was the ABAQUS/Standard program. The estimation of the level of effort in the composite materials in the performed studies were the maximum stress criterion, the Tsai-Hill criterion, the tensor Tsai-Wu criterion and the Azzi-Tsai-Hill criterion. The mechanical properties required for analysis were performed in the way of experiments way, according to the standard specifications for this type of materials. FEM analysis was shown the effort elements of the construction, where were the highest level of tension stresses.

13

Wytwarzanie i analiza strukturalna laminatów tytan-kompozyt wzmacniany włóknami węglowymi oraz szklanymi

Bieniaś J., Surowska B., Ostapiuk M.

Inżynieria Materiałowa

|

2012

|

Vol. 33, nr 3

210--214

PL

Laminaty metalowo-włókniste (FML) to innowacyjne materiały zaprojektowane na elementy poszycia samolotów, ale o potencjalnych możliwościach zastosowania w innych obszarach techniki. Podstawowym w tej grupie materiałów jest laminat stop aluminium/kompozyt epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym. Praca dotyczy mniej zbadanego układu tytan/kompozyt epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym oraz włóknem węglowym. Laminaty zostały wytworzone techniką autoklawową w warunkach laboratorium uczelnianego. Jako komponentów użyto blachę tytanową gat. Grade 2, prepreg epoksydowy zbrojony włóknem szklanym typu R oraz prepreg epoksydowy o podwyższonej wytrzymałości zbrojony włóknem węglowym T700GC. Dobrane komponenty spełniają wymagania stawiane materiałom stosowanym w przemyśle lotniczym. Opracowano sposób przygotowania powierzchni blachy tytanowej, ułożenia warstw prepregu oraz dobrano parametry technologiczne. Zastosowano utlenianie anodowe tytanu bez uszczelniania warstwy oraz dodatkową warstwę gruntu. Orientację włókien (tab. 2) dobrano, uwzględniając prognozowane właściwości oraz weryfikację eksperymentalną modeli numerycznych. Celem badań była charakterystyka struktury kompozytów po procesie polimeryzacji oraz ocena ciągłości połączenia metal-kompozyt. Wykonano obserwacje mikroskopowe z zastosowaniem mikroskopii świetlnej. W badanej partii materiału uzyskano wysoką jakość połączenia, bez delaminacji i porów na granicy metal-kompozyt (rys. 4÷8). W kompozycie zbrojonym włóknem szklanym zaobserwowano lokalne nierównomierne rozmieszczenie włókien (rys. 4b). Cechą charakterystyczną laminatów wytwarzanych w autoklawie jest obecność cienkiej warstwy polimeru na granicy z metalem, pozbawionej włókien, przy czym warstwa ta jest grubsza dla kompozytów zbrojonych włóknem węglowym (rys. 5b, c, 7b, c). Taka morfologia powinna korzystnie wpływać na adhezję metalu do kompozytu. Uzyskane wyniki świadczą o prawidłowo dobranych parametrach wytwarzania laminatów z zastosowaniem autoklawu.

EN

Fibre-metal laminates (FML) are innovative materials designed for aircraft structures but potentially it is possible to use them in other engineering applications. The basic FML consists of alternate thin layers of an aluminium alloy and glass fiber reinforced polymer matrix composite. In this paper, modern hybrid materials, titanium/epoxy composites reinforced with glass and carbon fibers are investigated. The laminates were produced by the autoclave method in the university laboratory. Titanium sheet cp-Ti grade 2, glass fiber type R reinforced epoxy prepreg and epoxy prepreg reinforced with carbon fiber T700GC were used as the components. These components meet the requirements of aerospace materials standards. The method of surface treatment of the titanium sheet and the prepregs lay up were draw up and the technological parameters were selected as well as. The anodic oxidation of titanium without sealing or synthetic primer were used. The fibers orientation (Tab. 2) was selected to obtain the desired properties and perform experimental verification of numerical modelling results. The aim of the study was to determine the quality of the composite structure after curing and the continuity of the metal-composite joint. Microscopic microstructural observations were carried out. The high quality connection without delamination and pores on the metal-composite boundary in the inspection lot was obtained (Fig. 4÷8). The local uneven distribution of glass fibers was observed (Fig. 4b). The presence of a thin layer of epoxy resin without fibers on the metal-composite boundary is distinguished in laminates produced by the autoclave method. This layer in the carbon prepreg is thicker than in the glass one (Fig. 5b, c, 7b, c). Such morphology should have a positive effect on the metal-composite adhesion. The results prove the correct technological parameters applied for FML laminates manufactured in an autoclave.

14

Analiza porównawcza kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami zawierających mikropory

Bieniaś J., Surowska B., Ostapiuk M.

Inżynieria Materiałowa

|

2012

|

Vol. 33, nr 6

655--658

PL

W pracy porównano jakościowo i ilościowo porowatość w kompozytach polimerowych wzmacnianych włóknami szklanymi i węglowymi ocenianą trzema metodami: analityczną, mikroskopową na mikroskopie świetlnym z oprogramowaniem do analizy obrazu Image Pro Plus i mikrotomografii na rentgenowskim mikrotomografie komputerowym SkyScan 1174 z oprogramowaniem CT Analyser. Badania miały na celu sprawdzenie przydatności tych metod do oceny stopnia nieciągłości struktury materiałów kompozytowych, niezbędnej w kontroli jakości wyrobów. Przedmiotem badań były panele kompozytowe o osnowie z żywicy epoksydowej wzmacniane włóknami szklanymi oraz węglowymi w postaci tkanin o splocie krzyżowym, po dwie sztuki każdego rodzaju. Panele z włóknami szklanymi składały się z 16 warstw tkaniny, natomiast z włóknami węglowymi z 18. Materiały wytworzono metodą autoklawową. W metodzie analitycznej dla obu paneli wzmacnianych włóknem szklanym uzyskano bardzo małą porowatość, czego nie potwierdziły pozostałe metody (rys. 1). Lepszą zgodność uzyskano dla paneli wzmacnianych włóknem węglowym (rys. 2). Obserwacje mikroskopowe ujawniły obecność porów o różnej geometrii przekroju (rys. 3 i 4). W kompozycie epoksydowo/szklanym ich kształt jest zbliżony do okrągłego, natomiast w epoksydowo/węglowym obserwuje się również pory wydłużone. Z wykonanych obliczeń dla paneli szklanych otrzymano, według klasyfikacji Purslowa, średnią jakość, a dla paneli węglowych dobrą (C1) i doskonałą (C2), przy około 50% błędzie względnym pomiarów. Mikrotomografia komputerowa stanowi najdokładniejszą z wybranych metod identyfikacji nieciągłości w kompozytach polimerowych, pozwalając na zobrazowanie struktury 2D i 3D oraz obliczenie udziału porów. Uzyskano dobrą dokładność pomiarów w porównaniu z pozostałymi metodami, błąd względny wyniósł około 15%. Uwzględniając rozrzut wartości pomiarów (wielkości średnie i odchylenie standardowe) można uznać, że uzyskano porównywalne wyniki z mikrotomografii oraz mikroskopii świetlnej (rys. 1 i 2). Stwierdzono, że metoda mikrotomografii komputerowej jest dobrym narzędziem do określania nieciągłości w kompozytach polimerowo/włóknistych i docelowo powinna wyeliminować metodę analityczną stosowaną w laboratoriach przemysłowych. Ponadto może zastąpić metodę mikroskopową, skracając czas badań i dając dokładniejsze, dwu- i trójwymiarowe obrazy struktury.

EN

The paper contains a qualitative and quantitative comparison of porosity character in glass and carbon fibre reinforced polymeric composites. This character was evaluated by means of three methods: analytical method, micro scopic method using light microscope with Image Pro Plus software dedicated for image analysis and microtomography method using X-ray microfocus CT scanner (SkyScan 1174) with CT Analyser software. The purpose of the study was to verify the usability of these methods for evaluation of the degree of structural discontinuity of composite materials, as required in products quality inspection. The tests were carried out on composite panels consisting of epoxy resin matrix reinforced with cross woven glass and carbon fibres, two pieces of each type of fabric. The panels with glass fibres consisted of 16 fabric layers and the panels with carbon fibres consisted of 18 layers. The composite materials have been produced using autoclave technique. The value of porosity obtained by means of analytical method for the both panels reinforced with glass fibres was very low but this result was not confirmed by means of other methods (Fig. 1). The results were more consistent in case of the panels reinforced with carbon fibres (Fig. 2). The microscopic observations revealed the presence of pores characterized by diversified cross-section geometry (Fig. 3 and 4). Their shape in an epoxy/ glass composite is almost circular but in case of an epoxy/carbon composite elongated pores are also observed. According to calculations carried out for glass panels, their quality was medium and the quality for carbon panels was good (C1) or perfect (C2) in Purslow’s classification, the relative error of measurements was equal to about 50%. The computed microtomography is the most accurate method from among selected methods of discontinuity identification in polymeric composites and makes it possible to display 2D and 3D structure images and to calculate a percentage of porosity. The accuracy of obtained measurements was satisfactory in comparison to other methods; the relative error was equal to about 15%. Considering the scatter of the measurements values (mean values and standard deviation) it can be concluded that the results obtained by means of microtomography and optical microscopic methods were comparable (Fig. 1 and Fig. 2). It has been found that the computed microtomography is an useful tool for the determination of discontinuities in fibre reinforced/polymeric composites and that finally the analytical method used in industrial laboratories should be eliminated by CMT technique. Furthermore the microscopic method can be replaced by CMT reducing the time of tests and giving more precise 2D and 3D structure images.

15

Fractography and Damage Analysis of Carbon/Epoxy Composites Under Static and Dynamic Loading at Elevated Temperatures

Bieniaś J., Ostapiuk M., Surowska B.

Acta Mechanica et Automatica

|

2012

|

Vol. 6, no. 1

17-20

EN

This paper presents the microstructural and fractographic analysis of damage in carbon/epoxy composites after static and fatigue strength (shear) tests at elevated temperature. The microstructural tests and fractographic analysis confirmed the complexity of degradation process and degradation mechanisms in composite structure. Multiple cracks, delaminations and interface degradation between fibre and matrix have been observed. The fracture analysis indicate the occurrence of characteristic failure area: matrix river lines, matrix rollers, fractures and reinforcing fibres imprints. The interface, except of the type of components and their features, is the principal factor determining the properties of composite material. The quality of the bonding between the reinforcing phase and matrix, mechanism of composite cracking as a whole as well as cracks of individual components are directly affected by the interface.

16

Analysis of discontinuities effect in relation to attenuation level in glass fibre reinforced polymer composites

Bieniaś J., Ostapiuk M., Surowska B., Beer K.

Kompozyty

|

2011

|

R. 11, nr 1

70-74

EN

In recent years, composite structures have become very popular for different applications, predominantly in the aerospace industry. Their mechanical properties provide very useful materials in aviation as a primary structure. It is well known that glass/epoxy polymer composite is characterised by its lightweight and corrosion resistance in comparison to traditional materials. The main aim is to guarantee durability and safety during the manufacturing process in the case of the possible appearance of structural defects. Porosity and delamination detection is a very important factor in solving the problem of quality. One of the basic non-destructive testing methods of detecting discontinuities in structures used in aviation is ultrasonic inspection with C-scan images. Their objective is to analyse the composite structures particularly for quality inspection in aviation. This paper presents research about the relationship between the attenuation level of an NDT technique (C-scan) and void content in glass/epoxy composites. An analysis of the microstructure and characteristics of discontinuities are presented and discussed. The observations have given the results of three distinguished types of microstructures depending on the attenuation level in ultrasonic testing. The level of void content for this specific type of composite was determined from 2% to 5% and this can be classified as a medium quality composite structure. A linear dependence was found between the attenuation level in ultrasonic inspection and the percentage of voids content in a glass fiber reinforced polymer composite. The correlation between ultrasonic inspection and the analysis of microstructure is a useful method in composite structures engineering.

PL

Struktury kompozytowe w ostatnich latach stanowią bardzo popularne rozwiązania w odniesieniu do różnych zastosowań, w szczególności w lotnictwie. Dobre właściwości mechaniczne predysponują te materiały na odpowiedzialne części struktur. Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknem szklanym charakteryzują się niską gęstością i odpornością korozyjną w porównaniu do tradycyjnych materiałów. Głównym zadaniem podczas ich wytwarzania jest zagwarantowanie trwałości i bezpieczeństwa w procesie produkcji ze względu na możliwość wystąpienia defektów w strukturze. Wykrywanie porowatości i delaminacji stanowi istotny czynnik w rozwiązywaniu problemu jakości. Defektoskopia ultradźwiękowa jest jedną z podstawowych metod nieniszczących do wykrywania nieciągłości, szczególnie w strukturach stosowanych w lotnictwie. W artykule przedstawiono badania wpływu poziomu nieciągłości na poziom tłumienia metodą obrazowania C-scan w kompozytach polimerowych wzmacnianych włóknem szklanym. Zaprezentowano analizę mikrostruktury oraz charakterystykę nieciągłości. Wyróżnione zostały trzy typy mikrostruktury w zależności od poziomu tłumienia. Poziom porowatości dla badanej struktury kompozytowej został określony w zakresie od 2% do 5%, klasyfikując tę strukturę jako średniej jakości. Wykazano liniową zależność pomiędzy poziomem porowatości a procentowym udziałem porowatości w kompozycie polimerowym wzmacnianym włóknem szklanym. Korelacja pomiędzy badaniami ultradźwiękowymi i analizą mikrostruktury stanowi pomocną metodę w inżynierii struktur kompozytowych.