Fibre metal laminates - some aspects of manufacturing process, structure and selected properties

• Autorzy: Bieniaś J.

Warianty tytułu

PL

Laminaty metalowo-włókniste - wybrane aspekty procesu wytwarzania, struktury i właściwości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fibre Metal Laminates (FML) are hybrid materials, consisting of alternating layers of thin metal sheets and composite layers. FML possess superior properties of both metals and fibrous composite materials. Fibre Metal Laminates are characterized by excellent damage tolerance: fatigue and impact and characteristics, low density, corrosion and fire resistance. Glare as a type of FML are composites consisting of thin aluminium layers and glass fiber reinforced epoxy composites. The most common method used to produce FML including Glare is autoclave processing (under relatively high pressure, vacuum, elevated temperature). The first large scale application of Glare laminates is the fuselage and leading edges of the vertical and horizontal tail planes of the Airbus A-380 aircraft. Current and future research on FML is focused on generating new laminates, for example based on the combination of titanium and magnesium and carbon or glass polymer composites. In this paper, the preliminary studies concerning the manufacturing method and the properties of new generation hybrid composite materials - titanium/glass fibre reinforced laminates (Ti-G) are described. The titanium/glass composites were characterized from the standpoint of their quality (ultrasonic technique- phased array C-scan method), microstructure and selected mechanical properties (tensile strength). The hybrid Ti-G laminates were prepared by stacking alternating layers of commercially pure titanium (grade 2) and R-glass fiber/epoxy prepregs. The lay-up scheme of the Ti-G composites were 2/1 (two layers of titanium sheet and one layer of glass/epoxy prepreg as a [0,90] sequence) and 3/2. It was found that (1) manufacturing Fibre Metal Laminates including Ti-G composites using the autoclave technique is advantageous for the reason of obtaining higher quality and repeatability of the composite structures, (2) the titanium/glass fiber reinforced laminates demonstrated good bonding between the metal and composite layers and homogeneous structure without discontinuities, (3) manufactured Ti-G composites are characterized by high mechanical properties - tensile strength due to the excellent properties of both components, titanium and glass-fibre composite materials, (4) titanium/glass fiber reinforced laminates are new generation hybrid materials, which can be potentially used for composite structures in aerospace.

PL

Laminaty metalowo-włókniste (Fiber Metal Laminates) są materiałami hybrydowymi, składającymi się z kolejno ułożonych (na przemian) warstw metalu i kompozytu polimerowego. Laminaty FML łączą w sobie właściwości zarówno metalu, jak i materiału kompozytowego wzmacnianego włóknami. FML charakteryzują się wysoką tolerancją uszkodzeń, wysoką wytrzymałością zmęczeniową, odpornością na uderzenia, niską gęstością, odpornością na korozję oraz ognioodpornością. Laminaty Glare jako jeden z rodzajów FML stanowią kompozyty składające się z cienkich warstw aluminium oraz kompozytu polimerowego wzmacnianego włókami szklanymi. Najbardziej powszechną metodą wytwarzania laminatów FML, w tym Glare, jest technika autoklawowa (wysokie ciśnienie, podciśnienie, podwyższona temperatura). Pierwsze komercyjne zastosowanie laminatów typu Glare stanowią panele kadłuba oraz krawędzie natarcia pionowego i poziomego usterzenia ogonowego w samolocie Airbus A380. Zarówno aktualne, jak i przyszłe prace naukowo-badawcze w zakresie kompozytów FML ukierunkowane są na wytwarzanie nowej generacji laminatów zawierających tytan lub magnez, z kompozytami polimerowymi wzmacnianymi włóknami węglowymi oraz szklanymi. W pracy przedstawiono wstępne badania dotyczące metody wytwarzania oraz właściwości nowej generacji hybrydowych materiałów kompozytowych typu: tytan/kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami szklanymi (Ti-G). Kompozyty tytan/włókna szklane charakteryzowano pod kątem jakości (badania nieniszczące ultradźwiękowe - metoda phased array C-scan), mikrostruktury oraz wybranych właściwości mechanicznych (wytrzymałość na rozciąganie). Hybrydowe laminaty Ti-G stanowiły warstwy czystego technicznie tytanu (garde 2) oraz kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami szklanymi typu R, w układzie 2/1 (dwie warstwy tytanu oraz jedna warstwa kompozytu o ułożeniu warstw [0/90]) oraz w układzie 3/2. Wykazano, że: (1) wytwarzanie kompozytów metalowo-włóknistych (FML) metodą autoklawową jest korzystne ze względu na wysoką jakość i powtarzalność struktur kompozytowych, (2) laminaty tytan/włókna szklane charakteryzują się dobrą przyczepnością metal-kompozyt oraz jednorodną strukturą bez widocznych nieciągłości, (3) wytworzone kompozyty Ti-G odznaczają się wysokimi właściwościami mechanicznymi - wytrzymałością na rozciąganie dzięki wysokim właściwościom poszczególnych komponentów: tytanu i kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami szklanymi, (4) kompozyty tytan/włókna szklane stanowią nową generację materiałów hybrydowych, które mogą znaleźć potencjalne zastosowanie w przemyśle lotniczym.

Słowa kluczowe

EN

fibre metal laminates; hybrid titanium composite; glass fibres; microstructure; mechanical properties

PL

laminaty metalowo-włókniste; tytanowy kompozyt hybrydowy; włókna szklane; mikrostruktura; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 1
• Strony: 39--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

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

Bibliografia

• [1] Sinke J., Development of fibre metal laminates: concurrent multi-scale modeling and testing, J. Mater. Sci. 2006, 41, 6777-6788.
• [2] Vlot A, Gunnink JW., Fibre Metal Laminates, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 2001.
• [3] Wu G., Yang J.-M., The mechanical behaviour of glare laminates for aircraft structures, JOM 2005, January, 72-79.
• [4] Vogelesang L.B., Vlot A., Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures, J. Mater. Process. Technol. 2000, 1031-5.
• [5] Botelho E.C., Silva R.A., Pardini L.C., Rezende M.C., A review on the development and properties of continuous fiber/epoxy/aluminium hybrid composites for aircraft structures, Materials Research 2006, 9, 247-256.
• [6] Borgonje B., Ypma M.S., Long term behaviour of glare, Appl. Comp. Mater. 2003, 10, 243-255.
• [7] Sinke J., Manufacturing of glare parts and structures, Appl. Comp. Mater. 2003, 10, 293-305.
• [8] Alderliestern R., Rans C., Benedictus R., The applicability of magnesium based fibre metal laminates in aerospace structures, Compos. Sci. Technol. 2008, 68, 2983-2993.
• [9] Hagenbeek M., Characterisation of fibre metal laminates under thermo-mechanical loadings, PrintPartners Ipskamp, Netherlands Enchede 2005
• [10] Woerden H.J.M., Sinke J., Hooijmeijer P.A., Maintenance of glare structures and glare as riveted or bonded repair material, Appl. Comp. Mater. 2003, 10, 307-329.
• [11] Kolesnikov B, Herbeck L., Fink A, CFRP/titanium hybrid material for improving composite bolted joint, Compos. Struct. 2008, 83, 368-380.
• [12] Surowska B., Bienaś J., Wytwarzanie wielowarstwowych struktur kompozytowych metodą autoklawową, Kompozyty (Composites) 2010, 2(10), 121-126.
• [13] Corte’s P, Cantwell W.J., The prediction of tensile failure in titanium-based thermoplastic fibre-metal laminates, Compos. Sci. Technol. 2006, 66, 2306-2316.
• [14] Carrillo J.G, Cantwell W.J., Scaling effects in the tensile behavior of fiber-metal laminates, Compos. Sci. Technol. 2007, 67, 1684-1693.
• [15] Reyes G., Kanga H., Mechanical behavior of lightweight thermoplastic fiber-metal laminates, J. Mater. Process. Technol. 2007, 186, 284-290.