Mikrostrukturalne uwarunkowania wytrzymałości na ściskanie infiltrowanych kompozytów ceramiczno-elastomerowych

• Autorzy: Babski K. , Boczkowska A. , Szafran M. , Kurzydłowski K. J.

Warianty tytułu

EN

Effect of the microstructure on compressive strength of infiltrated ceramic-elastomer composites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono wybrane właściwości mechaniczne kompozytów ceramiczno-elastomerowych wyznaczone podczas ściskania. Badane kompozyty wytwarzane były w procesie infiltracji porowatej ceramiki SiO2 elastomerem poliuretanowym. Do wytwarzania kompozytów wykorzystano trzy typy ceramiki porowatej o różnej wielkości porów, dzięki czemu uzyskano kompozyty różniące się mikrostrukturą oraz właściwościami mechanicznymi. W badaniach zastosowano dwie prędkości ściskania i opisano wpływ szybkości odkształcania na właściwości badanych kompozytów. W pracy wskazano charakterystyczne etapy ściskania badanych kompozytów oraz podjęto próbę ich interpretacji w powiązaniu z opisem etapów niszczenia mikrostruktury. Stwierdzono, że właściwości kompozytów pod obciążeniami ściskającymi są silnie zależne zarówno od typu mikrostruktury, jak i od szybkości odkształcania, a wyznaczone wartości energii pochłanianej przez kompozyty mogą być porównywane z danymi dla materiałów wykorzystywanych na szok-absorbery opisywane w literaturze.

EN

The present work concerns mechanical properties of ceramic-elastomer composites under compressive loads. The ceramic-elastomer composite investigated here have a microstructure of percolated phases. Such composites exhibit high initial strength and stiffness with the ability to sustain large deformations due to combining the ceramic stiffness and rubbery elasticity of elastomer. The microscopic observations reveal that the pores of matrix are fully filled with the elastomer. The porous ceramic matrix was sintered from SiO2 powders with controlled particles diameter. Since the stress-strain curve in compression for composites has a nonlinear characteristic, specific loading stages can be identified during straining. These stages are related to the type of the microstructure damage. The recognized stages are: I - elastic region, II - stable non localized microcracking, III - localized microcracking, IV - microcracking, fragmentation and straining of the elastomer. The observed plateau stress at large deformations implies that such composites can be used as a strain energy absorber. The mechanical properties in compression test were estimated in terms of: maximum compressive strength (initial maximum peak force), apparent modulus of elasticity (linear part of the stress-strain curve), the flow stress at 25% of strain. The absorbed energy was calculated as the area beneath the loading-unloading stress-strain curve. The compression tests reveal a significant difference in mechanical properties depending on composite microstructure and straining rate. It was found that the maximum compressive strength, relative modulus of elasticity and stresses at plateau region depends mainly on composite microstructure. The straining rate has a significant effect on relative modulus of elasticity and partly affects the maximum compressive strength and stresses at plateau region. It was found that ceramic-elastomer composites effectively absorb the energy at comparable value and have stress-strain characteristic similar to some aluminium foams or energy absorbing structures. In order to evaluate the complex usability of the composites as a potential shock absorbing material, the composites are currently investigated at higher straining rates.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; ceramika porowata; poliuretan; infiltracja; pochłanianie energii

EN

composite; porous ceramic; polyurethane; infiltration; energy absorption

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 3
• Strony: 285--290
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., zdj.

Twórcy

autor

Babski K.

autor

Boczkowska A.

autor

Szafran M.

autor

Kurzydłowski K. J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Boczkowska A., Konopka K., Kurzydłowski K.J., Effect of elastomer structure on ceramic-elastomer composite properties, Journal of Materials Processing Technology 2006, 175, 40-44.
• [2] Konopka K., Boczkowska A., Szafran M., Kurzydłowski K.J., Mikrostruktura i właściwości kompozytów ceramika-elastomer, Kompozyty 2003, 7, 216-220.
• [3] Chen Y-C, Wu S., Piezoelectric composites with 3-3 connectivity by injecting polymer for hydrostatic sensors, Ceramics International 2004, 30, 69-74.
• [4] Cui C, Baugmann R.H., Iqbal Z., Dahlstrom D.K., Improved piezoelectric ceramic/polymer composites for hydrophone applications, Synthetic Materials 1997, 85, 1391-1392.
• [5] Kalita S.J., Bose S., Hosick H.L., Bandyopadhyay A., Development of controlled porosity polymer-ceramic composite scaffolds via fused deposition modeling, Materials Science and Engineering C 23 (2003) 611-620.
• [6] Koza E., Leonowicz M., Wojciechowski S., Simancik R, Compressive strength of aluminium foams, Materiale Letters2003, 58, 132-135.
• [7] Yang I.Y., Lee K.S., Park S.G., Cha C.S., The axial collapse characteristics of hat shaped section members in a vehicle, Journal of Materials Processing Technology 2007, 187-188, 136-139.
• [8] Xuea P., Yua T.X., Taob X.M., Effect of cell geometry on the energy-absorbing capacity of grid-domed textile composites, Composites: Part A 31 (2000) 861-868.
• [9] Mahdi E., Hamouda A.M.S., Sahari B.B., Khalid Y.A., On the collapse of cotton/epoxy tubes under axial static loading, Applied Composite Materials 2003, 10, 67-84.
• [10] Woldesenbet E., Gupta N., Jadhav A., Effects of density and strain rate on properties of syntactic foams, Journal of Materials Science 2005, 40, 4009-4017.
• [11] Gupta N., A functionally graded syntactic foam material for high energy absorption under compression, Materials Letters 2007, 61,979-982.
• [12] Lee D.G., Lim T.S., Cheon S.S., Impact energy characteristic of composite structures, Composite Structures 2000, 50, 381-390.
• [13] Szafran M., Boczkowska A., Konopka K., Kurzydłowski K.J., Rokicki G., Batorski K., PL Patent No. P.353130 (2002).
• [14] Podrezov Y.M., Firstov S.O., Szafran M., Kurzydłowski K.J., Non-elastic behaviours of high -porosity ceramics and ceramic-polymer composites, E-MRS Fall Meeting 2003 Conference, Poland.
• [15] Blechman I., Brittle solids under compression. Part 1: gradient mechanisms of microcracking, Int. J. Solids Structures 1997, 34, 20, 2536-2581.
• [16] Wang E.Z., Shrive N.G., Brittle fracture in compression: mechanisms, models and criteria, Engineering Fracture Mechanics 1995, 52, 6, 1107-1126.
• [17] Boczkowska A., Konopka K., Schmidt J., Kurzydłowski K.J., Badania wpływu elastomeru i adhezji na wytrzymałość na ściskanie kompozytów ceramika-elastomer, Kompozyty (Composites) 2004, 4, 9, 41-47.