On delamination threshold loads in low velocity impact on glass-carbon/epoxy composites

• Autorzy: Imielińska K. , Wojtyra R. , Kozłowski M.

Warianty tytułu

PL

Badania warunków powstawania delaminacji w kompozytach epoksydowych wzmocnionych włóknami szklanymi i węglowymi pod wpływem niskoenergetycznego udaru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

When a structure is accidentally impacted by an object, (e.g. by dropping a tool) it may be important to know if the impact is likely to cause serious damage in the structure. The easiest way to solve this is to compare the impact energy with the threshold impact energy of the structure. Thus, it is necessary to find the threshold impact energy of the structure which depends on the properties of the material and boundary conditions. In the present work the problem of delamination threshold load assessment was studied for epoxy laminates reinforced with woven glass-carbon laminates. The behaviour of symmetrical and unsymmetrical glass E/carbon C laminate was studied (E/C/E/C/E and E/E/C/E/C). Instrumented impact and static indentation tests were used. The rebound impact tests were conducted on the 100 mm square specimens in standard instrumented dropping weight tower Ceast Dartester. Indentation tests were performed using the same samples and supports geometry as in impact tests. The acoustic signal was used to assess the load and deflection corresponding to the first damage in the laminate. Damaged samples were examined using SEM. The approximate projected maximum delamination area was assessed and plotted against impact energy and maximum load (Fig. 6). The experimental results obtained in this work show (Figs 5, 6) that, similar to quasi-isotropic fibre reinforcement, for woven glass/carbon/epoxy laminates there exists a threshold impact load corresponding to a sudden jump of the area of delaminations from zero to a certain value (100 mm2). The threshold impact energy was found 1.5 J independent of the glass fibre stacking sequence. The near-the-threshold damage in woven glass-carbon/epoxy laminates consists of delaminations and fibre/matrix debonding. Good correlation of the projected damage area obtained in this work for static (indentation) and impact measurements confirm that prediction of the threshold impact damage by quasi static tests instead of instrumented impact test is practical and useful.

PL

Przedstawiono badania charakteru i rozmiaru zniszczeń w laminatach epoksydowych wzmocnionych włóknami węglowymi oraz szklanymi i węglowymi wywołanych przez udary o małej energii. Na podstawie dynamicznych charakterystyk obciążeń w funkcji czasu i odkształcenia płytek określano zależność pola delaminacji w funkcji obciążenia wywołującego te zniszczenia. Ze względu na konieczność posiadania młota spadowego z oprzyrządowaniem do prób dynamicznych badania takie są kłopotliwe. Jednak wyniki prób prowadzonych w zaawansowanych laboratoriach kompozytowych w Wlk. Brytanii i USA wskazują na możliwość wykorzystania badań przy obciążeniach quasi-statycznych o analogicznym układzie podpór i geometrii próbki do oceny progowych obciążeń wywołujących inicjacje delaminacji w laminacie. Korzystając z takiej możliwości, porównano zniszczenia powstałe przy obciążeniach quasi-statycznych i udarowych (określonych przez maksymalne obciążenie Pmax). Posiadane dane z pomiarów dynamicznych o energii udaru wyższej od progowej umożliwiły identyfikację obciążenia wywołującego skokową inicjację delaminacji w laminacie epoksydowym o wzmocnieniu szklano-węglowym. Badania stanowią wprowadzenie do prognozowania obciążeń i energii wywołujących inicjację delaminacji w kompozytach warstwowych.

Słowa kluczowe

EN

laminate; impact resistance; polymer composite

PL

laminat; odporność udarowa; kompozyt polimerowy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 5, nr 1
• Strony: 69--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 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

autor

Kozłowski M.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] Abrate S., Impact on laminated composite materials, Applied Mechanics Reviews 1991, 44, 4, 155-190.
• [2] Abrate S., Impact on laminated composites: recent advances, Applied Mechanics Reviews 1994, 47(11), 155-190.
• [3] Abrate S., Impact on composite structures, Cambridge University Press, Cambridge 1998.
• [4] Dear J.P., Brown S.A., Impact damage processes in reinforced polymeric materials, Composites: Part A 2003, 34, 411-420.
• [5] Lee S.M., Zahuta P., Instrumented impact and static indentation of composites, Journal of Composite Materials 1991, 25(2), 204.
• [6] Schoeppner G.A., Abrate S., Delamination threshold loads for low velocity impact on composite materials, Composites 2000, 31, 9.
• [7] Kwon Y.S., Sankar B.V., Indentation-flexure and low velocity impact damage in graphite/epoxy laminates, Journal of Composites Technology and Research 1993, 15(2), 101- 111.
• [8] Davies G.A.O., Hitchings D., Wang J., Prediction of threshold impact energy for onset of delamination in quasiisotropic carbon/epoxy composite laminates under lowvelocity impact, Composites Science and Technology 2000, 60, 1-7.
• [9] Davies G.A.O., Zhang X., Impact damage prediction in carbon composite structures, International Journal of Impact Engineering 1995, 16(1), 149-170.
• [10] Wardle B.L., Lagace P.A., On the use of quasi-static test to asses impact damage resistance of composite shell structures, Mechanics of Composite Materials and Structures 1998, 5(1), 103-121.
• [11] Legace P.A., Williamson J.E., Tsang P.H.W., Wolf E., Thomas S., A preliminary proposition for a test method to measure (impact)damage resistance, Journal of Reinforced Plastics and Composites 1993, 12(5), 584-601.
• [12] Davies G.A.O., Zhang X., Zhou G., Watson S., Numerical modeling of impact damage, Composites 1994, 25(5), 342-350.
• [13] Pavier M.J., Clarke M.P., Experimental techniques for the investigation of the effects of impact damage on carbonfibre composites, Composites Science and Technology 1995, 55(1), 57-69.
• [14] Soutis C., Curtis P.T., Prediction of the post-impact compressive strength of CFRP laminated composites, Composites Science and Technology 1996, 56, 677-684.
• [15] Imielińska K., Wojtyra R., Advanced laminate composites of improved impact tolerance, Kompozyty (Composites) 2004, 4, 9, 61-67.
• [16] Imielińska K, Wojtyra R., Udarowe pękanie hybrydowych kompozytów epoksydowych zbrojonych włóknami szklanymi, węglowymi i aramidowymi, Inżynieria Materiałowa 2003, 3(134), 127-134.
• [17] Bełzowski A., Degradacja mechaniczna kompozytów polimerowych metody oceny wytrzymałości długotrwałej i stopnia uszkodzenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
• [18] Imielińska K., Castaings M., Wojtyra R., Haras J., Le Clezio E., Hosten B., Air-coupled ultrasonic C-scan technique in impact response testing of carbon fibre and hybrid: glass, carbon and Kevlar / epoxy composites, Journal of Materials Processing Technology 2004, 157-158, 513-522.
• [19] Imielińska K., Guillaumat L., The effect of water immersion ageing on low-velocity impact behaviour of woven aramid- -glass fibre/epoxy composites, Composites Science and Technology 2004, 64, 2271-2278.
• [20] Choi H.Y., Chang R-K., A model for predicting damage in graphite/epoxy laminated composites resulting from lowvelocity impact, Journal of Composite Materials 1992, 26, 2143-2169.
• [21] Jang-Kyo Kim, Yiu-Wing Mai, High strength, high fracture toughness fibre composites with interface control - a review, Composites Science and Technology 1991, 41 333- 378.
• [22] Imielińska K., Badania energii oporu pękania interlaminarnego GIIC kompozytów polimerowych zbrojonych włóknem szklanym i aramidowym, Materiały i Technologie, Roczniki Naukowe Pomorskiego Oddziału PTM 2003, Nr 1(1), 61-65.