Link between reinforcement geometry of lamina and delamination resistance of laminates

• Autorzy: Czarnocki P.

Warianty tytułu

PL

Powiązania między geometrią wzmocnienia laminatów a ich odpornością na delaminację

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of this research was to determine the relationship between the delamination resistance of fabric reinforced laminates and the areal weight (AW) of reinforcing fabrics and fibre tow orientations. The laminates were reinforced with 2x2 twill fabrics of AW = 161 g/m2 and AW = 395 g/m2. The tows making up the wefts and warps were oriented at 0°/90° (denoted +) and +45°/−45° (denoted x) relative to the delamination propagation direction. The delamination tests were carried out under Mode I and Mode II quasi static and cyclic loading conditions. These tests were complemented with impact tests. For Mode I loading, it was found that GIc was not dependent either on the AW of the fabrics nor on the tow orientations. Similar results were obtained for cyclic loading. Unlike for Mode I, for Mode II loading the highest GIIc value was found for the laminate reinforced with fabric of AW = 395 g/m2 and tow orientation “x” while the lowest one was for laminates reinforced with the same fabric but of a “+” tow orientation. Drop tests indicated that the laminates reinforced with fabrics of the higher AW had better resistance to impact induced damage.

PL

Wygodną w zastosowaniach formą wzmocnienia, ze względu na łatwość formowania, są tkaniny. W szczególności jest to istotne, jeśli formowany wyrób ograniczają opływowe powierzchnie, o podwójnej krzywiźnie, jak ma to miejsce np. w przypadku samolotów. Celem badań było wyznaczenie zależności pomiędzy odpornością na delaminację laminatów wzmocnionych tkaninami a gramaturą tkanin oraz orientacją wiązek włókien (wątku i osnowy). Wyników takich badań w dostępnej literaturze nie znaleziono. Wzmocnienie stanowiły tkaniny Interglas 92110 i Interglas 92140 o gramaturach 161 i 395 g/m2 i splocie skośnym. Rozpatrywano dwie orientacje wiązek włókien: wiązki tworzące wątek i osnowę były zorientowane odpowiednio pod kątem 0° i 90° (oznaczenie „+”) oraz pod kątem +45° i −45° (oznaczenie „x”) w stosunku do kierunku rozwoju delaminacji. Spoiwo stanowiła żywica epoksydowa L335 utwardzana utwardzaczem H335+H340. Odporność na rozwarstwienia badano w warunkach I i II sposobu pękania, spowodowanych obciążeniami quasi statycznymi i cyklicznymi. Ze względu na brak norm do badania odporności na rozwarstwienia laminatów wzmocnionych tkaniami, w warunkach obciążeń quasistatycznych, tam gdzie było to możliwe, starano się wykorzystać normy ASTM, oryginalnie opracowane do badań laminatów zawierających wzmocnienie w postaci jednokierunkowej. Z powodu braku jakichkolwiek norm do wykonania analogicznych badań w warunkach obciążeni cyklicznych zastosowano autorską procedurę. Wykonano także próby udarnościowe laminatów o takiej samej strukturze. Wszystkie badania przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Wyniki badań w odniesieniu do obciążeń quasi-statycznych wykazały, iż w warunkach I sposobu pękania nie ma statystycznie istotnych różnic między średnimi wartościami współczynników uwalniania energii, otrzymanych dla laminatów różniących się gramaturą tkanin ani ich orientacją. Na tej podstawie wysnuto przypuszczenie, iż zachodzący w tych warunkach proces delaminacji jest kontrolowany przez właściwości mechaniczne spoiwa. W przypadku II sposobu pękania różnice takie występowały. Najwyższą odporność na delaminacje wykazał laminat wzmocniony tkaniną o gramaturze 161 g/m2 i konfiguracji „x”, a najniższą laminat o tym samym wzmocnieniu i konfiguracji „+”. Próby zrzutu wykazały, iż większą odpornością na uszkodzenia udarowe charakteryzował się laminat wzmocniony tkaninami o większej gramaturze. Można to uzasadnić wyższą wytrzymałością na zerwanie wiązek wzmocnienia o większym przekroju, znajdujących się w tkaninach o większej gramaturze.

Słowa kluczowe

EN

laminates; delamination; fatigue; impact

PL

laminaty; delaminacja; zmęczenie; uderzenie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 16, nr 2
• Strony: 103--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Czarnocki P.

• Warsaw University of Technology, Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Designation: ASTM D 4850 - 03a Standard Terminology Relating to Fabric.
• [2] Chou I., Kimpara I., Kageyama K., Ohsawa I., Mode I and Mode II Fracture Toughness Measured between Differently Oriented Plies in Graphite/epoxy Composites, Composite Materials: Fatigue and Fracture, 5th Volume, ASTM STP 1230, ed. R.H. Martin, American Society for Testing and Materials, Philadelphia 1995, 132-151.
• [3] Ozdil F., Carlsson L.A., Beam analysis of angle-ply laminate DCB specimens, Composite Science and Technology 1999, 59, 305-315.
• [4] Pereira A.B., de Morais A.B., Mode I interlaminar fracture of carbon/epoxy multidirectional laminates, Composites Science and Technology 2004, 64, 2261-2270.
• [5] Pereira A.B., de Morais A.B., Mode II interlaminar fracture of glass/epoxy multidirectional laminates, Composites Part A, 2004, 35, 265-272.
• [6] Ozdil F., Carlsson L.A., Davis P., Beam analysis of angleply laminate end-notched flexure specimens, Composite Science and Technology 1998, 58, 1929-1938.
• [7] Shi Y.B., Hull D., Price J.N., Mode II fracture of +θ°/−θ° angled laminate interfaces, Composite Science and Technology 1993, 47, 173-184.
• [8] de Morais A.B., Rebelo C.C., de Castro P.M.S.T., Marques A.T., Davies P., Interlaminar fracture studies in Portugal: past, present and future, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 2004 September, 27(9), 767-773.
• [9] Rubbrecht Ph., Verpoest I., The development of two new test methods to determine the mode I and mode II fracture toughness for varying fibre orientation at the interface, 38th International SAMPE Symposium, 1993, 875-887.
• [10] Naik N.K., Reddy K.S., Meduri S., Raju N.B., Prasad P.D., Azad Sk. N.M., Ogde P.A., Reddy B.C.K., Interlaminar fracture characterization for plain weave fabric composites, Journal of Materials Science 2002, 37, 2983-2987.
• [11] Suppaku P., Bandyopadhyay S., The effect of weave pattern on the mode-I interlaminar fracture energy of E-glass/vinyl ester composites, Composites Science and Technology 2002, 62, 709-717.
• [12] Pereira A.B., de Morais A.B., de Mouran M.F.S.F., Magalhaes A.G., Mode I interlaminar fracture of woven glass/epoxy multidirectional laminates, Composites: Part A 2005, 36, 1119-1127.
• [13] Sahoo S.R., Mishra A., Fracture characterization of plain woven fabric glass-epoxy composites, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering 2012, 6(7), 1189-1194.
• [14] Murri G.B., Evaluation of delamination growth characterization methods under Mode I fatigue loading, ASC 27th Technical Conference/15th US-Japan Conference on Composites/ASTM D30 Meeting, October 1-3, 2012, Arlington, TX.
• [15] Shindo Y., Inamoto A., Narita F., Horiguch K., Mode I fatigue delamination growth in GFRP woven laminates at low temperatures, Engineering Fracture Mechanics 2006, 73, 2080-2090.
• [16] Matsubara G., Ono H., Tanaka K., Mode II fatigue crack growth from delamination in unidirectional tape and satinwoven fabric laminates of high strength GFRP, International Journal of Fatigue 2006, 28, 1177-1186.
• [17] Tumino D., Zuccarello B., Fatigue delamination experiments on GFRP and CFRP specimens under single and mixed fracture modes, Procedia Engineering 2011, 10, 1791-1796.
• [18] Ishbir Ch., Banks-Sills L., Fourman V., Eliasi R., Delamination propagation in a multi-directional woven composite DCB specimen subjected to fatigue loading, Composites: Part B 2014, 66, 180-189.
• [19] Glass filament fabrics for plastic reinforcement, Product specification, Interglas Suter-Kunststoffe ag., Swiss Composite.ch.
• [20] ASTM D5528-01, Standard Test Method for Mode I Interlaminar fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites.
• [21] ASTM D7905/D7905M-14, Standard Test Method for Mode II Interlaminar fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites.
• [22] Brunner A.J., Stelzer S., Pinter G., Terrasi G.P., Mode II fatigue delamination resistance of advanced fiber-reinforced polymer-matrix laminates: Towards the development of a standardized test procedure, International Journal of Fatigue 2013, 50, 57-62.
• [23] Jones R., Stelzer S., Brunner A.J., Mode I, II and mixed Mode I/II delamination growth in composites, Composite Structures 2014, 110, 317-324.
• [24] Al-Khudairi O.,Hadavinia H., Waggott A., Lewis E., Little C., Characterising mode I/mode II fatigue delamination growth in unidirectional fibre reinforced polymer laminates, Materials and Design 2015, 66, 93-102.
• [25] ASTM E647-08, Standard Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates.
• [26] Czajkowska K., Czarnocki P., Lorenc Z., Interlaminar Mode II toughness of unidirectional CF-epoxy laminates made of out of autoclave prepregs, Key Engineering Materials 2014, 598, 45-50.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.