Remaining strength in glass/polyester laminated composites subjected to ballistic impact

• Autorzy: Barcikowski M.

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość pozostała laminowanych kompozytów poliestrowo-szklanych po udarze balistycznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fibre-reinforced plastics (FRP) are susceptible to damage resulting from impacts, even non-penetrating ones. This damage, even without outright destruction, may lead to reduction of fibre-reinforced plastics strength and static load-bearing abilities. This paper presents the results of three-point flexural tests on glass fibre/polyester composites after non-penetrating ballistic impact, where the word "ballistic" refers to a high-speed free-flying impactor (projectile). This is a continuation of previous studies, during which the extent of damage in glass/polyester composites after non-penetrating ballistic impact was evaluated. Materials used in the study were laminated composites produced via the Resin Transfer Moulding (RTM) technology. This laminates were produced using Polimal 1094 AWTP-1 unsaturated polyester resin and E-glass reinforcement in the form of multiple perpendicular layers of chopped-strand mats, continuous-filament mats, twisted-yarn fabrics and woven rovings. Composites with varying thickness, number of layers and fibre content were produced. The impactor is a free-flying 3 g steel ball propelled from a gas gun. Two striking velocities were tested - 60 and 70 m/s, producing impact energies of 5.4 and 7.35 J accordingly. After the impact, the extent of damage in samples (100x100 mm square plates) was evaluated through digital image analysis. The as-impacted samples were then subjected to three-point bending under set conditions. The results were compared to the results of identical examination of undamaged samples and the reduction in mechanical properties was determined. In all cases, the reduction in strength and load-at-break value was noticed. Thicker, more reinforced laminates show lower loss of mechanical properties, than thinner ones. Difference between strength and load-at-break approach for load-bearing abilities reduction was discussed, and the conclusion is that the latter is preferred to the former in laminated composites due to high thickness dependence of strength. Comparing reinforcement types, continuous-filament mat is superior to chopped-strand mat and woven-rovings. Tightly woven twisted-yarn fabric compares favourably to the woven rovings.

PL

Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami (FRP - Fibre Reinforced Plastics) są wrażliwe na uszkodzenia w wyniku udarów, nawet niepenetrujących. Uszkodzenia te, nawet gdy nie wystąpi całkowite zniszczenie, mogą prowadzić do znacznego obniżenia wytrzymałości i zdolności do przenoszenia obciążeń przez kompozyty wzmocnione włóknami. Artykuł przedstawia wyniki prób trzypunktowego zginania kompozytów poliestrowo-szklanych po niepenetrujących udarach balistycznych, gdzie słowo "balistycznych" odnosi się do szybko lecącego, swobodnego impaktora (pocisku). Artykuł ten jest kontynuacją wyników wcześniejszych badań, w których określono rozległość uszkodzeń w kompozytach poliestrowo-szklanych po niepenetrującym udarze balistycznym. Materiały użyte do niniejszych badań to warstwowe kompozyty poliestrowo-szklane wykonane techniką RTM (Resin Transfer Moulding). Laminaty te wytworzono z wykorzystaniem nienasyconej żywicy poliestrowej Polimal 1094 AWTP-1 i wzmocnienia z włókna szklanego typu E w postaci wielu prostopadłych warstw mat z włókien ciętych, mat z włókien ciągłych, tkanin z jedwabiu szklanego oraz plecionek rowingowych. Wykonano kompozyty o zróżnicowanej grubości, liczbie warstw i zawartości wzmocnienia. Impaktorem jest swobodnie lecąca stalowa kulka o masie 3 g rozpędzona przy użyciu działa gazowego. Próby przeprowadzono przy dwóch różnych prędkościach - 60 i 70 m/s, uzyskując przy tym energie udaru wynoszące, odpowiednio, 5,4 i 7,35 J. Po udarze rozmiary pola uszkodzeń próbek (kwadratowych płytek o wymiarach 100x100 mm) zostały zmierzone za pomocą cyfrowej analizy obrazu. Próbki w takiej samej formie, w jakiej zostały poddane udarowi, poddane zostały 3-punktowemu zginaniu w ustalonych warunkach. Rezultaty badania zginającego zostały porównane z wynikami uzyskanymi dla próbek nieuszkodzonych. Zaobserwowano pogorszenie wytrzymałości i obciążenia przy złamaniu w porównaniu z próbkami nieuszkodzonymi. Różnice pomiędzy podejściem od strony wytrzymałości a podejściem od strony obciążenia krytycznego jako parametrami opisującymi zdolność do przenoszenia obciążeń zostało przedyskutowane. Wzmocnienie w postaci mat z włókien ciągłych i gęsto tkanych tkanin z jedwabiu szklanego wypadają korzystnie w porównaniu z matami włókien ciętych i luźnymi plecionkami rowingowymi.

Słowa kluczowe

EN

fibre-reinforced plastic; composite; ballistic impact; remaining strength; strength reduction

PL

tworzywo wzmocnione; kompozyt; udar balistyczny; wytrzymałość pozostała; spadek wytrzymałości

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 9, nr 3
• Strony: 271--275
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Barcikowski M.

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Polymer Institute, Division of Polymer Materials Technology, Pulaskiego 10, 70-322 Szczecin,

Bibliografia

• [1] Naik N.K., Shrirao P., Composite structures under ballistic impact, Composite Structures 2004, 66, 579-590.
• [2] Cheeseman B.A., Bogetti T.A., Ballistic impact into fabric and compliant composite materials, Composite Structures 2003, 61, 161-173.
• [3] Olsson R., Mass criterion for wave controlled impact response of composite plates, Composites: Part A 2000, 31, 879-887.
• [4] Hetherington J.G., Energy and momentum changes during ballistic perforation, International Journal of Impact Engineering 1996, 18(3), 319-337.
• [5] Kang T.J., Kim C., Energy-absorption mechanisms in Kevlar multiaxial warp-knit fabric composites under impact loading. Composite Science and Technology 2000, 60, 773-784.
• [6] Morye S.S., Hine P.J., Ducket R.A., Carr D.J., Ward I.M., Modelling of the energy absorption by polymer composites upon ballistic impact, Composite Science and Technology 2000, 60, 2631-2642.
• [7] Schrauwen B., Peijs T., Influence of Matrix Ductility and Fibre Architecture on the Repeated Impact Response of Glass-Fibre-Reinforced Laminated Composites, Applied Composite Materials 2002, 9, 331-352.
• [8] Naik N.K., Shrirao P., Reddy B.C.K., Ballistic impact behaviour of woven fabric composites: Formulation, International Journal of Impact Engineering 2006, 32(9), 1521-1552.
• [9] Reis L., de Freitas M., Damage growth analysis of low velocity impacted composite panels, Composite Structures 1997, 38(1-4), 509-515.
• [10] 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 loading, Composite Structures 2003, 61, 89-102.
• [11] da Silva Jr J.E.L., Paciornik S., d’Almeida J.R.M., Determination of the post-ballistic impact mechanical behaviour of a 45 glass-fabric composite, Polymer Testing 2004, 23, 599-604.
• [12] da Silva Jr J.E.L., Paciornik S., d’Almeida J.R.M., Evaluation of the effect of the ballistic damaged area on the residual impact strength and tensile stiffness of glass-fabric composite materials, Composite Structures 2004, 64, 123-127.
• [13] Mouritz A.P., Gallagher J., Goodwin A.A., Flexural strength and interlaminar shear strength of stitched GRP laminates following repeated impacts, Composite Science and Technology 1997, 57, 509-522.
• [14] Zhang Z.Y., Richardson M.O.W., Low velocity impact induced damage evaluation and its effect on the residual flexural properties of pultruded GRP composites, Composite Structures 2007, 81, 195-201.
• [15] Shim V.P.W., Yang L.M., Characterization of the residual mechanical properties of woven fabric reinforced composites after low-velocity impact, International Journal of Me-chanical Sciences 2005, 47, 647-665.
• [16] Hou J.P., Jerominidis G., Bending stiffness of composite plates with delamination, Composites: Part A 2000, 31, 121-132.
• [17] Barcikowski M., Glass fibre/polyester composites under ballistic impact, Kompozyty (Composites) 2008, 8(1), 70-76.