Phenomenological analysis of selfheating effect in glass and carbon fabric reinforced polymeric composites

• Autorzy: Katunin A.

Warianty tytułu

PL

Analiza fenomenologiczna efektu samorozgrzania w kompozytach polimerowych wzmacnianych tkaniną szklaną i węglową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The self-heating effect occurring in polymeric composites during cyclic loading or vibrations is a dangerous phenomenon which affects intensification of mechanical degradation processes and shortening of structural residual life. During this process, heat is generated due to hysteretic behavior of a polymeric matrix, and the growing surface temperature may initiate the most dangerous mode of self-heating effect – the non-stationary one. During non-stationary self-heating the heating-up process dominates mechanical degradation and causes its significant intensification and sudden failure. Besides the loading conditions, several other factors influence on the self-heating process. In this paper, the influence of reinforcing material as well as its content in the composite is analyzed in the light of self-heating effect. The results of the performed experimental studies show that these material properties have a great impact on intensity of self-heating effect. This observation allows for better understanding the mechanics of structural degradation of fabric-reinforced composites subjected to cyclic loading with self-heating effect occurrence. The obtained results might be helpful in development of new industrial composites, which will be characterized by high thermal conductivity and effectively release generated heat to the environment, increasing the operational safety of composite elements working in mentioned loading conditions.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający w kompozytach polimerowych podczas obciążeń cyklicznych lub drgań, jest niebezpiecznym zjawiskiem, które powoduje intensyfikację procesów mechanicznej degradacji oraz skrócenie żywotności struktur. Podczas tego procesu ciepło jest generowane wskutek histerezowego zachowania osnowy polimerowej, a wzrastająca temperatura na powierzchni może inicjować najbardziej niebezpieczną postać efektu samorozgrzania – niestacjonarną. Podczas samorozgrzania niestacjonarnego proces nagrzewania się staje się dominujący w stosunku do degradacji mechanicznej i powoduje jego znaczną intensyfikację oraz szybkie zniszczenie. Oprócz warunków obciążenia, niektóre inne czynniki wpływają na proces samorozgrzania. W niniejszym artykule wpływ materiału wzmocnienia oraz jego zawartości w kompozycie został przeanalizowany w świetle efektu samorozgrzania. Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych wskazują na znaczący wpływ właściwości materiałów umocnienia na intensywność efektu samorozgrzania. Taka obserwacja pozwala na lepsze zrozumienie mechaniki degradacji strukturalnej kompozytów wzmacnianych tkaninami poddanych obciążeniom cyklicznym z występowaniem efektu samorozgrzania. Otrzymane wyniki mogą być pomocne przy opracowaniu nowych kompozytów konstrukcyjnych, które będą charakteryzować się wysoką przewodnością cieplną i skutecznie odprowadzać generowane ciepło do środowiska, zwiększając bezpieczeństwo użytkowania elementów kompozytowych pracujących w wymienionych warunkach obciążeń.

Słowa kluczowe

EN

self-heating effect; polymeric composites; thermal conductivity; glass fabric; carbon fabric

PL

efekt samorozgrzania; kompozyty polimerowe; przewodność cieplna; tkanina szklana; tkanina węglowa

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 31, nr 62
• Strony: 43--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz.

Twórcy

autor

Katunin A.

• Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

Bibliografia

• 1. Chowdhury E. U., Green M. F., Bisby L. A., Bénichou N., Kodur V. K. R.: Thermal and mechanical characterization of fibre reinforced polymers, concrete, steel, and insulation materials for use in numerical fire endurance modeling. Proceedings of the 1st International Workshop on Performance, Protection and Strengthening of Structures under Extreme Loading (PROTECT 2007), Banthia N., Mindess S., Fujikake K., Eds., Vancouver 2007, p. 1-10.
• 2. Dinzart F., Molinari A., Herbach R.: Thermomechanical response of a viscoelastic beam under cyclic bending; self-heating and thermal failure. “Archives of Mechanics” 2008, Vol. 60, p. 59-85.
• 3. Goel A., Chawla K. K., Vaidya U. K., Chawla N., Koopman M.: Characterization of fatigue behavior of long fiber reinforced thermoplastic (LFT) composites. “Materials Characterization” 2009, Vol. 60, p. 537-544.
• 4. Hashemi M., Zhuk Y.: The influence of strain amplitude, temperature and frequency on complex shear moduli of polymer materials under kinematic harmonic loading. “Mechanics and Mechanical Engineering” 2017, Vol. 21, p. 157-170.
• 5. Johlitz M., Dippel B., Lion A.: Dissipative heating of elastomers: a new modelling approach based on finite and coupled thermomechanics. “Continuum Mechanics and Thermodynamics” 2016, Vol. 28, p. 1111-1125.
• 6. Katunin A., Fidali M.: Experimental identification of non-stationary self-heating characteristics of laminated composite plates under resonant vibrations. “Kompozyty” 2011, Vol. 11, p. 214-219.
• 7. Katunin A., Fidali M.: Fatigue and thermal failure of polymeric composites subjected to cyclic loading. “Advanced Composites Letters” 2012, Vol. 21, p. 64-69.
• 8. Katunin A., Krukiewicz K., Turczyn R.: Evaluation of residual cross-linking caused by self-heating effect in epoxy-based fibrous composites using Raman spectroscopy. “Chemik” 2014, Vol. 68, p. 957-966.
• 9. Katunin A., Wronkowicz A., Bilewicz M., Wachla D.: Criticality of self-heating in degradation processes of polymeric composites subjected to cyclic loading: a multiphysical approach. “Archives of Civil and Mechanical Engineering” 2017, Vol. 17, p. 806-815.
• 10. Katunin A.: Analysis of influence of fiber type and orientation on dynamic properties of polymer laminates for evaluation of their damping and self-heating. “Science and Engineering of Composite Materials” 2017, Vol. 24, p. 387-399.
• 11. Katunin A.: Critical self-heating temperature during fatigue of polymeric composites under cyclic loading. “Composites Theory and Practice” 2012, Vol. 12, p. 72-76.
• 12. Katunin A.: Thermal fatigue of polymeric composites under repeated loading. “Journal of Reinforced Plastics and Composites” 2012, Vol. 31, p. 1037-1044.
• 13. Kovalenko A. D., Karnaukhov V. G.: On heat generation in viscoelastic bodies under periodic action. “Prikladnaya Mekhanika” 1969, Vol. 5, p. 28-35.
• 14. Mortazavian S., Fatemi A., Mellott S. R., Khosrovaneh A.: Effect of cycling frequency and self-heating on fatigue behavior of reinforced and unreinforced thermoplastic polymers. “Polymer Engineering & Science” 2015, Vol. 55, p. 2355-2367.
• 15. Oldyrev P. P., Tamuzh V.P.: Energy dissipation of glass-reinforced plastic during prolonged cyclic deformation. “Problemy Prochnosti” 1969, Vol. 3, p. 31-35.
• 16. Oldyrev P. P.: Determination of the fatigue life of plastics from the self-heating temperature. “Polymer Mechanics” 1967, Vol. 3, p. 78-81.
• 17. Oldyrev P. P.: Self-heating and failure of plastics under cyclic loading. “Polymer Mechanics” 1967, Vol. 3, p. 322-328.
• 18. Ratner S. B., Korobov V. I.: Self-heating of plastics during cyclic deformation. “Polymer Mechanics” 1965, Vol. 1, p. 63-68.
• 19. Rittel D., Rabin Y.: An investigation of the heat generated during cyclic loading of two glassy polymers. Part II: Thermal analysis. “Mechanics of Materials” 2000, Vol. 32, p. 149-159.
• 20. Rittel D.: An investigation of the heat generated during cyclic loading of two glassy polymers. Part I: Experimental. “Mechanics of Materials” 2000, Vol. 32, p. 131-147.
• 21. Rodovalho L. F. F., de Lima A. M. G., Borges R. A., Lacerda H. B.: A study on thermal runaway phase generated during cyclic loading of viscoelastic materials accounting for the prestress. “Latin American Journal of Solids and Structures” 2016, Vol. 13, p. 2834-2851.
• 22. Senchenkov I. K., Karnaukhov V. G.: Thermomechanical behavior of nonlinearly viscoelastic materials under harmonic loading. “International Applied Mechanics” 2001, Vol. 37, p. 1400-1432.
• 23. Shukla R. S., Martens J., Senthilvelan S.: Hysteresis heating of polypropylene based composites. In: 5th International and 26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference (AIMTDR 2014), Assam 2014, p. 245-1–245-6.