Comparison of polymer composites behavior to low-velocity impact and quasi-static indentation

• Autorzy: Bieniaś J. , Jakubczak P. , Surowska B.

Warianty tytułu

PL

Porównanie odpowiedzi kompozytów polimerowych na obciążenia dynamiczne o niskiej prędkości oraz wciskanie statyczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fibre Reinforced Polymers (composites) are widely used in the aerospace industry due to their excellent quasi-static mechanical properties in relation to density. However, it is known that polymer composites do not have good resistance to dynamic loads, especially to low-velocity impact phenomena, which is one of the most important issues for composite structures, particularly in aerospace due to the effect it has on material structures. The purpose of this study was to investigate the differences in polymer composite behavior between low-velocity impact and the similar (the same boundary conditions) quasi-static indentation. The composites used in this study were: Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) and Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) manufactured by the autoclave method (materials used in aerospace technology). Impact tests were carried out according to the ASTM D7136 standard. Quasi-static indentation was performed according to the ASTM D6264 standard. After the tests, the samples were subjected to non-destructive and microscopic testing methods to investigate the damage size and failure character. It was noted that low-velocity impact causes significant damage to both kinds of composite structures, while the quasi-static indentation under the same impact force level results in some internal degradation of the laminate structures (barely visible damage). However, the size of it is extremely different to the case of low-velocity impact. The failure types of composite structures after static and dynamic loads are similar. The major failure type in composites after static and dynamic loads are matrix cracks, delaminations, and in the case of impact fibres-cracks. To obtain similar damage character and size (as in the impact effect) in the composite structure on account of quasi-static indentation, a much higher force level in comparison to dynamic loads is necessary.

PL

Polimerowo-włókniste materiały kompozytowe są szeroko stosowane w technice lotniczej z uwagi na korzystne właściwości mechaniczne w odniesieniu do gęstości. Jednak, materiały te charakteryzują się niską odpornością na obciążenia dynamiczne, szczególnie na uderzenia dynamiczne o niskiej prędkości, co jest jednym z najważniejszych zjawisk eksploatacyjnych w technice lotniczej z uwagi na uszkodzenia, jakie może powodować w strukturach kompozytowych. Celem przeprowadzonych badań było porównanie reakcji polimerowo-włóknistych materiałów kompozytowych na obciążenia dynamiczne o niskiej prędkości oraz na analogiczne (te same warunki obciążenia) statyczne wciskanie wgłębnika. Do badań wykorzystano laminat wzmacniany wysokowytrzymałym włóknem węglowym w osnowie żywicy epoksydowej oraz laminat wzmacniany wysokowytrzymałym włóknem szklanym w osnowie żywicy epoksydowej (materiały stosowane w technice lotniczej). Obciążenia dynamiczne zostały przeprowadzone zgodnie z normą ASTM D7136. Próba statycznego wciskania wgłębnika w kompozyt została przeprowadzona zgodnie z normą ASTM D6264. Po badaniach próbki poddano nieniszczącej oraz mikroskopowej ocenie stanu struktury w celu określenia rozmiaru i charakteru powstałego uszkodzenia. Zaobserwowano, że obciążenia dynamiczne o niskiej prędkości powodują znaczące uszkodzenie struktury obu rodzajów kompozytów. Analogiczne obciążenie statyczne przy tej samej sile wywieranej przez wgłębnik na materiał powoduje jedynie makroskopowo niewidoczne uszkodzenie wewnętrzne. Rozmiar uszkodzenia jest skrajnie różny w przypadku obciążeń dynamicznych i statycznych, przy czym charakter uszkodzenia jest zbliżony. Dominującym rodzajem degradacji kompozytów są pęknięcia osnowy i rozwarstwienia oraz pęknięcia włókien w przypadku obciążeń dynamicznych. W celu otrzymania podobnego uszkodzenia laminatów przez statyczne wciskanie wgłębnika niezbędna jest znacznie większa siła wywierana przez wgłębnik na materiał w porównaniu do obciążeń dynamicznych.

Słowa kluczowe

EN

polymer composites; static and dynamic loads; failure

PL

kompozyty polimerowe; obciążenia statyczne i dynamiczne; uszkodzenie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 3
• Strony: 155--159
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

• Lublin University of Technology, Mechanical Faculty, Materials Engineering Department, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Jakubczak P.

• Lublin University of Technology, Mechanical Faculty, Materials Engineering Department, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Surowska B.

• Lublin University of Technology, Mechanical Faculty, Materials Engineering Department, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Hodgkinson J.M., Mechanical Testing of Advanced Fibre Composites, Woodhead Publishing and CRC Press LLC, 2000.
• [2] Dorey G., The Fiber Matrix Interface and Composite Strength, [in:] D.H. Middleton, Composite Materials in Aircraft Structures. Longman Scientific & Technical 1990, 50-68.
• [3] Soutis C., Carbon fibre reinforced plastics in aircraft construction. Materials Science and Engineering 2005, A 412, 171-176.
• [4] Leda H., Kropaczewski S., Influence of mechanical properties of epoxy resins on compressive strength of unidirectional reinforced polymer composites, Inżynieria Materiałowa 2005, 6, 808-811.
• [5] Vogelesang L.B., Vlot A., Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures, Journal of Materials Process Technology 2000, 103, 1-5.
• [6] Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L., Impact damage characterization of carbon fbre/epoxy composites with multi-layer reinforcement, Composites Part B 2000, 31, 681-691.
• [7] Kwon Y.S., Sankar B.V., Indentation flexure and lowvelocity impact damage in graphite epoxy laminates, Journal of Composite Technology 1993, 2, 101-111.
• [8] Davies G.A.O., Zhang X., Impact damage prediction in carbon composites structures, International Journal of Impact Engineering 1995, 16(1), 149-170.
• [9] Li Y., Xuefeng A., Xiaosu Y., Comparison with low-velocity impact and quasi-static indentation testing of foam core sandwich composites, International Journal of Applied Physics and Mathematics 2012, 2(1), 58-62.
• [10] Caprino G., Spatarob G., Del Luongo S., Low-velocity impact behavior of fibre glass-aluminum laminates, Composites Part A 2004, 35, 605-616.
• [11] Abrate S., Impact on Composite Structures, Cambridge University Press, Cambridge 1998, 135-160.
• [12] Choi H.Y., Wu H.Y.T., Chang F.K., A new approach toward understanding damage mechanisms and mechanics of laminated composites due to low-velocity impact: Part II, Analysis, Journal of Composite Materials 1991, 25, 1012-1038.
• [13] ASTM D7136, Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced-Polymer Matrix Composites to a Drop-Weight Impact Event, Book of Standards 2005.
• [14] ASTM D 6264-98, Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-reinforced Polymer-matrix Composite to a Concentrated Quasi-static Indentation Force, Book of Standards 2004.
• [15] Liu D., Impact-induced delamination-a view of bending stiffness mismatching, Journal of Composite Materials 1998, 22, 674-692.
• [16] Liu S., Kutlu Z., Chang F.K., Matrix cracking and delamination in laminated composite beams subjected to a transverse concentrated line load, Journal of Composite Materials 1993, 27, 436-470.
• [17] Nakatani H., Kosaka T., Osaka K., Sawada Y., Damage characterization of titanium/GFRP hybrid laminates subjected to low velocity impact, Composites Part A 2011, 42, 772-781.
• [18] Lia C.F., Hub N., Yina Y.J., Sekinec H., Fukunaga H., Low-velocity impact-induced damage of continuous fiber-reinforced composite laminates, Part I. An FEM numerical model, Composites Part A 2002, 33, 1055-1062.
• [19] Song S.H., Byun Y.S., Ku T.W., Song W.J., Kim J., Kang B.S., Experimental and numerical investigation on impact performance of carbon reinforced aluminum laminates, Journal of Material Science and Technology 2010, 26(4), 327-332.
• [20] Richardson M.O.W., Wisheart M.J., Review of low-velocity impact properties of composite materials. Composites Part A 1996, 27A, 1123-1131.
• [21] Pearson M.R., Eaton M.J., Featherston C.A., Holford K.M., Pullin R., Impact Damage Detection and Assessment in Composite Panels using Macro Fibre Composites Transducers, 9th International Conference on Damage Assessment of Structures (DAMAS), St Anne's College, Oxford, United Kingdom, July 11th -13th 2011.