Analiza porównawcza kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami zawierających mikropory

• Autorzy: Bieniaś J. , Surowska B. , Ostapiuk M.

Warianty tytułu

EN

Comparative analysis in fibres reinforced polymer composites with micropores

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

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.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; porowatość; mikrotomografia

EN

composites; porosity; microtomography

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 655--658
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

autor

Surowska B.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

autor

Ostapiuk M.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

Bibliografia

• [1] Morgan P.: Carbon fibers and their composites. Wyd. CRC Press (2005).
• [2] Królikowski W.: Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. PWN, Warszawa (2012).
• [3] Judd N., C., W., Wright W., W.: Voids and their effects on the mechanical properties of composites - an appraisal. SAMPE J 14 (1978) 10÷14.
• [4] Zhu H., Wu B., Li D., Zhang D., Chen Y.: Influence of voids on the tensile performance of carbon/epoxy fabric laminates. J. Mater. Sci. Technol. 27(1) (2011) 69÷73.
• [5] Naganuma T., Naito K., Kyono J., Kagawa Y.: Influence of prepreg conditions on the void occurrence and tensile properties of woven glass fiber reinforced polyimide composites. Composites Science and Technology 69 (2009) 2428÷2433.
• [6] Oliver P., Cottu J., P., Ferret B.: Effects of cure cycle pressure and voids on some mechanical properties of carbon/epoxy laminates. Composites 26 (1995) 509÷515.
• [7] Huang H., Talreja R.: Effects of void geometry on elastic properties of unidirectional fiber reinforced composites. Composites Science and Technology 65 (2005) 1964÷1981.
• [8] Purslow D.: On the optical assessment of the void content in composite materials. Composites 15 (3) (1984) 207÷210.
• [9] ASTM D 2734-09: Standard test methods for void content of reinforced plastics (2009).
• [10] Little J. E., Yuan X., Jones M. I.: Characterisation of voids in fibre reinforced composite materials. NDT&E lnternational 46 (2012) 122÷127.
• [11] Schilling P. J., Karedla B. P. R., Tatiparthi A. K., Verges M. A., Herrington P. D.: X-ray computed microtomography of internal damage in fiber reinforced polymer matrix composites. Composites Science and Technology 65 (2005) 2071÷2078.
• [12] Dunkers J. P., Sanders D. P., Hunston D. L., Everett M. J., Green W. H.: Comparison of optical coherence tomography, X-ray computed tomography, and confocal microscopy results from an impact damaged epoXy/E- glass composite. J. Adhesion 78 (2) (2002) 129÷154.
• [13] ASTM D792-08: Standard test methods for density and specific gravity (relative density) of plastics by displacement.
• [14] Park J. W., Kim D. J., Im K. H., Park S. K., Hsu D. K., Kite A. H., Kim S. K., Lee K. S., Yang I. Y.: Ultrasonic influence of porosity level on CFRP composite laminates using Rayleigh probe waves. Acta Mechanica Solida Sinica 21 (4) (2008) 298÷307.

Uwagi

PL

Badania realizowane w ramach Projektu Nr POlG.0101.02-00-015/08 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.