Characterization of balsa sandwich structures with fiber reinforced epoxy face sheets

• Autorzy: Blei R. , Stanik R. , Gude M. , Czulak A.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka struktur typu sandwich z rdzeniem z balsy oraz okładzinami z kompozytu włóknisto-epoksydowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this study was to examine the effect of different material combinations and process parameters on the material characteristics of sandwich structures. Therefore, the material properties of sandwich structures made from woven fabrics (glass/flax fibers) and powder epoxy resin as well as balsa cores were investigated. These material combinations are highly interesting for customized lightweight constructions as they bear the potential to construct three-dimensional free shape structures. The structural set-up observed during this study consists of balsa wood which is covered with two outer layers of fiber reinforced epoxy resin. In order to compare the effects of these outer layers on the material behavior, specimens with woven fabrics made out of glass and flax fibers were manufactured. During a hot pressing process, the fiber bed was infiltrated with powder epoxy resin while being pressed to the balsa core. To determine the material characteristics of the manufactured composite, mechanical tests such as 4-point-bending (DIN 51227) and peel tests (DIN EN 1464) were executed. Further investigations consisted of microscopic analyses to ensure quality control of the specimens. Additionally, the degree of wood penetration was examined during this screening process. It was revealed that the specimens with glass face sheets yielded a higher flexural strength (average: 19.54 MPa) and modulus (1815.12 MPa) than the flax specimens (strength: 16.14 MPa; modulus: 1353.83 MPa). Furthermore, the average peel resistance of the glass specimens (1.54 N/mm) was slightly higher than the average value of the flax fabric specimens (1.38 N/mm). Concerning the infiltration behavior, greater penetration of the balsa core was noted when using glass face sheets.

PL

Celem pracy było zbadanie wpływu różnych kombinacji materiałów i parametrów procesu wytwarzania na własności wytrzymałościowe struktur warstwowych. W związku z tym zbadano właściwości struktur warstwowych wykonanych z tkanin (włókien szklanych/lnianych), sproszkowanej żywicy epoksydowej oraz drewnianego rdzenia z balsy. Dzięki możliwości trójwymiarowego kształtowania kombinacja tych materiałów posiada bardzo duży potencjał w indywidualnych, lekkich konstrukcjach. Badany kompozyt wielowarstwowy składa się z rdzenia z balsy, pokrytego dwiema okładzinami zewnętrznymi, składającymi się z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknami. W celu porównania wpływu tych zewnętrznych warstw na zachowanie materiału wytworzono próbki z wzmocnieniami z tkaniny z włókna szklanego oraz lnianego. W procesie prasowania tkanina została przesycona żywicą podczas jednoczesnego dociskania i połączenia z rdzeniem z balsy. W celu wyznaczenia własności materiałowych wytworzonego kompozytu wykonano testy mechaniczne, takie jak czteropunktowe zginanie (DIN 51227) i próby odrywania (DIN EN 1464). Dalsze badania obejmowały analizę mikroskopową w celu kontroli jakości próbek. Ponadto przeprowadzono analizę wpływu rodzaju materiału wzmocnienia na stopień penetracji drewna. Przeprowadzone badania wykazały, że próbki z okładzinami szklano-epoksydowymi posiadają wyższą wytrzymałość na zginanie (średnio 19.54 MPa) i moduł (1815.12 MPa) niż próbki zawierające wzmocnienie z włókna lnianego (wytrzymałość: 16.14 MPa, moduł: 1353.83 MPa). Ponadto średnia odporność na odrywanie okładzin zawierających wzmocnienie szklane (1.54 N/mm) była nieco większa niż średnia wartość próbek z wzmocnieniem lnianym (1.38 N/mm). Analiza mikroskopowa wykazała, iż zastosowanie wzmocnienia z włókna szklanego umożliwia uzyskanie wyższych głębokości penetracji rdzenia z balsy.

Słowa kluczowe

EN

glass-epoxy composite; flax epoxy composite; woven fabrics; powder processing; balsa sandwich structure; material characterization

PL

laminaty szklano-epoksydowe; laminaty lniano-epoksydowe; tkanina; struktura typu sandwich; charakterystyka materiału

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 3
• Strony: 126--130
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Blei R.

• Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Technische Universität Dresden, Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Stanik R.

• Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Technische Universität Dresden, Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Gude M.

• Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Technische Universität Dresden, Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Czulak A.

• New Era Materials Sp. z o.o., ul. Komandosów 1/7, 32-085 Modlniczka, Poland

Bibliografia

• [1] Hufenbach W., Helms O., Leitfaden zum methodischen Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH 2010.
• [2] Degischer H., Lüftl S., Leichtbau: Prinzipien, Werkstoffauswahl und Fertigungsvarianten, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009.
• [3] Schürmann H., Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer-Verlag, 2007.
• [4] Michaeli W., Wegener M., Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, Carl Hanser Verlag, 1989.
• [5] Sun Z., Li D., Zhang W., Guo X., Topological optimization of biomimetic sandwich structures with hybrid core and CFRP face sheets, Composites Science and Technology 2017.
• [6] Wiedemann J., Leichtbau - Elemente und Konstruktion, 3rd edition, Springer-Verlag, 2007.
• [7] Klein B., Leichtbau-Konstruktion, 8th edition, Vieweg Verlag 2009.
• [8] Hufenbach W., Gude M., Czulak A., Pilawka R., Gajda T., Przybyszewski B., Application of novel A.S.SET epoxy resin in batch manufacturing process of CFRP, Composites 2014, Theory and Practice, The 18th Symposium (23-25.04.2014).
• [9] Bach M.R., Chalivendra V., Alves C., Depina E., Mechanical characterization of natural biodegradable sandwich materials, Journal of Sandwich Structures and Materials 2015.
• [10] Blei R., Möbius T., Pérez C., Osswald T.A., Modler N., Influence of selected process parameters on changes of the fiber orientation in unidirectional reinforced thermoplastics during a hot pressing process, Polymer Composites 2016.
• [11] Wehsener J., Weser T., Haller P., Diestel O., Cherif C., Textile reinforcement of multidimensional formable wood, Eur. J. Wood. Prod. 2014, 72(4), 463-475.
• [12] Nairn J.A., Numerical simulations of transverse compression and densification in wood, Wood and Fiber Science: Journal of the Society of Wood Science and Technology 2006, 38(4).
• [13] Liu Y., Norimoto M., Morooka T., The large compressive deformation of wood in the transverse direction (I), Mokuzai Gakkaishi 1993, 39, 867-874.
• [14] Haller P., Wehsener J., Festigkeitsuntersuchungen an Fichtenpressholz (FPH), Holz als Roh- und Werkstoff 2004, 62, 452-454.
• [15] Navi P., Sandberg D., Thermo-Hygro-Mechanical Processing of Wood, EPFL Press 2012.
• [16] Sandberg D., Haller P., Navi P., Thermo-hygro and thermo-hygro-mechanical wood processing: An opportunity for future environmentally friendly wood products, Wood Mat. Sci. Eng. 2012, 8, 64-88.
• [17] Przybyszewski B., Czulak A., Gude M., Lewandowska M., Broda P., Effect of pressing parameters and chemical modifications of flax fabrics on microstructure and mechanical properties of natural fiber-reinforced composites, 18th International Conference on Composite Structures (15-18 June 2015).

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).