Advanced epoxy composites of improved impact tolerance

• Autorzy: Imielińska K. , Wojtyra R.

Warianty tytułu

PL

Epoksydowe kompozyty warstwowe o zwiększonej tolerancji udaru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The materials aspects of improved low velocity impact tolerance have been reviewed. These include: tougher matrix systems, controlling fibre/matrix interfacial bond strength, using woven and mixed woven fibre fabrics, protective layers, stitching, Z-pinning, hybrid reinforcement, 3D structures, non-crimp fabrics NCF. For current structures, Z pinning shows the most promise, although the cost associated with this concept is currently high. For future structures, 3D woven materials show significant promise for impact tolerant design. As an illustration to the problem selected experimental results from the authors' work on low velocity impact (rebound) behaviour were presented for hybrid glass/carbon/epoxy and glass/epoxy toughened with phenolic microspheres as well as aramid-glass with three different matrix types. The results showed that toughening epoxy matrix with phenolic microspheres had positive effect on absorbed impact energy (Figs 3, 4). The second phase acts to absorb significant amount of energy during fracture through mechanisms of crack front bowing and crack splitting. Changing to a tougher resin system has a number of advantages, most notably an increase in delamination resistance. However, other mechanical properties of tougher materials tend to be reduced, particularly compression dominated properties, which may suffer due to increased matrix compliance. Protective layer of aramid-glass fabric had minor effect on impact characteristics but was found promising in terms of perforation resistance. Interlayer woven carbon/glass-fibre/epoxy composites are used in practice in the construction of composite marine crafts at critical points of the glass/epoxy structure where improved stiffness is needed. The results obtained in this study for glass/carbon composites and in the previous work show (Figs 3, 4) that interlayer woven carbon/glass-fibre/epoxy composites exhibit high impact energy absorption combined with high strength. Impact damage resistance and impact damage tolerance of glass/carbon/epoxy composites depends on the stacking sequence of the laminate.

PL

Przedstawiono przegląd sposobów poprawy tolerancji udarów w nowoczesnych laminatach polimerowych. Są to: wytrzymalsze i bardziej ciągliwe materiały osnowy, dobieranie odpowiedniego powiązania osnowy i włókien, stosowanie włókien w postaci tkanin, zszywanie preform z wielu warstw tkanin, łączenie włókien ciągłych w preformy za pomocą kompozytowych szpilek, stosowanie tkanin NCF z włókien ciągłych łączonych na grubości dodatkowym oplotem, wzmocnienie hybrydowe, warstwy ochronne z innych włókien. Jako ilustrację problemu przedstawiono niepublikowane, wybrane wyniki badań autorów naświetlające zachowanie kompozytów hybrydowych szklano-weglowych i szklanych o osnowie wzmocnionej mikrosferami z żywicy fenolowej oraz kompozytu szklanego z ochronną warstwą tkaniny aramidowo-szklanej. Wykazano, że wzmocnienie osnowy epoksydowej mikrobalonami fenolowymi ma pozytywny wpływ na absorpcję energii sprężystej (rys. rys. 3 i 4) dzięki mechanizmowi rozszczepiania końcówki pęknięcia i wyginania frontu pęknięcia. Wzmocnienie osnowy polimerowej utrudnia powstawanie delaminacji, jednak inne właściwości mechaniczne kompozytów o wzmocnionej osnowie ulegają nieznacznemu pogorszeniu. Ochronna warstwa aramidowo-szklana nie wpłynęła znacząco na poprawę absorpcji energii laminatu szklanego. Hybrydowe kompozyty wzmocnione warstwami włókien szklanych i węglowych są stosowane w praktyce w krytycznych miejscach konstrukcji kadłuba, gdzie wymagana jest podwyższona sztywność. Przedstawiono wyniki badań absorpcji energii laminatów o układzie warstw powierzchniowych: szkło/szkło/węgiel oraz węgiel/szkło i porównano z wcześniejszymi wynikami badań wpływu kolejności warstw węgiel/szkło na tolerancję udaru w próbie poudarowej wytrzymałości na ściskanie.

Słowa kluczowe

EN

polymer composite; impact behaviour; glass-carbon-epoxy laminates

PL

kompozyt polimerowy; odporność udarowa; laminat szklano-węglowo-epoksydowy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2004
• Tom: R. 4, nr 9
• Strony: 61--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys.

Twórcy

autor

Imielińska K.

• Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk

autor

Wojtyra R.

• Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa, Katedra Technik Głębinowych, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk

Bibliografia

• [1] Imielińska K., Wojtyra R., Post-impact moisture absorption in hybrid glass, aramid, carbon/ epoxy composites, Advances in Materials Science 2003, 3, 1, 27-34.
• [2] Dear J.P., Brown S.A., Impact damage processes in reinforced polymeric materials, Composites Part A 2003, 34, 411- -420.
• [3] Greenhalgh E., Hiley M., The assessment of novel materials and processes for the impact tolerant design of stiffened composite aerospace structures, Composites Part A 2003, 34, 151-161.
• [4] Bibo G., Hogg P., The role of reinforcement architecture on impact damage mechanisms and post impact compression behaviour, Journal of Materials Science 1996, 31, 115-37.
• [5] Lu W.H., Liao F.S., Su A.C., Kao P.W., Hsu T.J., Effect of interleaving on the impact response of a unidirectional C/epoxy composite, Composites 1995, 26, 3, 215-22.
• [6] Masters J.E., Improved impact and delamination resistance through interleafing, Key Engineering Materials 1989, 37, 317-48.
• [7] Kessler A., Bledzki A.K., Low velocity impact behaviour of glass/epoxy cross-ply laminates with different fibre treatments, Polymer Composites 1999, 20, 2, 269-78.
• [8] Hirai Y., Hamada H., Kim J.K., Impact response of glass woven fabric composites. I. Effect of fibre surface treatment, Composite Science and Technology 1998, 58, 91- 104.
• [9] Siow Y., Shim V., An experimental study of low velocity impact damage in woven fibre composites, Journal of Composite Materials 1998, 32, 12, 1178-202.
• [10] Jang-Kyo Kim, Man-Lung Sham, Impact delamination failure of woven-fabric composites, Composites Science and Technology 2000, 60, 745-761.
• [11] Jang B.Z., Chen L.C., Wang C.Z., Lin H.T., Zee R.H., Impact resistance and energy absorption mechanisms in hybrid composites, Composites Science and Technology 1989, 34, 305-335.
• [12] Imielińska K., Wojtyra R., Castaings M., Impact resistance and damage tolerance of hybrid: carbon, glass, Kevlar/epoxy laminates, Inżynieria Materiałowa 2001, 22, 4, 388-391.
• [13] Imielińska K., Wojtyra R., Wpływ rodzaju zbrojenia i kolejności ułożenia warstw na tolerancję zniszczeń wywołanych udarami o małej prędkości laminatów epoksydowych zbrojonych włóknem węglowym, szklanym, Kevlarowym i hybrydowych, Kompozyty (Composites) 2002, 2, 5, 364- 368.
• [14] Imielińska K., Wojtyra R., Udarowe pękanie hybrydowych kompozytów epoksydowych zbrojonych włóknami szklanymi, węglowymi i aramidowymi, Inżynieria Materiałowa 2003, 3, 127-134.
• [15] Sohn M.S., Hu X.Z., Kim J.K., Walker L., Impact damage characterisation of carbon fibre/epoxy composites with multi- -layer reinforcement, Composites Part B 2000, 31, 681-691.
• [16] Hosur M.V., Karim M.R., Jeelani S., Experimental investigation on the response of stitched/unstitched woven S2- glass/SC15 epoxy composites under single and repeated low velocity impact lading, Composite Structures 2003, 61, 89- -102.
• [17] Larsson F., Damage tolerance of stitched carbon/epoxy laminate, Composites Part A 1997, 28, 923-34.
• [18] Mouritz A.P., Leong K.H., Herszberg I., A review of the effect of stitching on the in-plane mechanical properties of fibre-reinforced polymer composites, Composites Part A 1997, 28A, 979-91.
• [19] Mouritz A.P., Cox B.N., A mechanistic approach to the properties of stitched laminates, Composites Part A 2000, 31, 1-27.
• [20] Mouritz A.P., Gallagher J., Goodwin A.A., Flexural strength and interlaminar shear strength of stiched GRP laminates following repeated impacts, Composites Science and Technology 1997, 57, 509-522.
• [21] Bibo G., Hogg P., Backhouse R., Mills A., Carbon-fibre non-crimp fabric laminates for cost-effective damage-tolerant structures, Composites Science and Technology 1998, 58, 129-143.
• [22] Jang-Kyo Kim, Mackay D.B., Yiu-Wing Mai, Drop-weight impact damage tolerance of CFRP with rubber-modified epoxy matrix, Composites 1993, 24, 485-493.
• [23] Strait L.H., Karasek M.L., Amateau M.F., Effect of stacking sequence on the impact resistance of carbon fibre reinforced thermoplastic toughened epoxy laminates, Journal of Composite Materials 1992, 26, 12.
• [24] Dorey G., Bishop S.M., Curtis P.T., On the impact performance of carbon fibre laminates with epoxy and PEEK matrices, Composites Science and Technology 1985, 23, 221-237.
• [25] Ishikawa T., Sugimot S., Matsushim M., Hayashi Y., Some experimental findings in compression-after-impact (CAI) tests of CF/PEEK (APC-2) and conventional CF/epoxy flat plates, Composites Science and Technology 1995, 55, 349- -363.
• [26] Gilbert E.N., Hayes B.S., Seferis J.C., Interlayer toughened unidirectional carbon prepreg systems: effect of preformed particle morphology, Composites Part A 2003, 34, 245- 252.
• [27] Cantwell W.J., Morton J., The impact resistance of composite materials - a review, Composites 1991, 22, 347-362.
• [28] Hochard Ch., Optimum design of laminated composite structures, Composite Structures 2004, 63, 159-165.
• [29] Shyr T.W., Pan Y.H., Impact resistance and damage charac-teristics of composites laminates, Composite Structures 2003, 62, 193-203.
• [30] Chou T.W., Microstructural design of fibre composites, UK Cambridge University Press, Cambridge 1992, 372- 442.
• [31] Adams D.F., A scanning electron microscopic study of hybrid composite impact response, Journal of Materials Scien-ce 1975, 10, 1591-1602.
• [32] Dorey G., Sidey and Hutchings, Composites 1978, 9, 25- 32.
• [33] Harris B., Impact properties of of glass-fibre carbon fibre hybrid composites, Composites 1975, 197-20.
• [34] Bader M.G., Manders P.W., The strength of hybrid glass/carbon fibre composites, Part I. Failure strain enhancement and failure mode, Journal of Materials Science 1981, 16, 2233- -2245.
• [35] Imielińska K., Badania mechanizmów zniszczenia kompozytów włóknistych w trakcie próby udarowego i statycznego zginania, Materiały i Technologie 2004, 2 (in press).
• [36] Imielińska K., Wojtyra R., Wpływ modyfikacji osnowy epoksydowej mikrokulkami szklanymi na poudarową wytrzymałość laminatów epoksydowych zbrojonych włóknami szklanymi, Inżynieria Materiałowa 2001, 2, 102-107.
• [37] Imielińska K., Guillaumat L., The effect of water immersion aging on low-velocity impact behaviour of woven aramid- glass fibre/epoxy composites, Composites Science and Technology (in press).