Tensile properties of carbon fiber/epoxy laminates at low and room temperatures

• Autorzy: Majerski K. , Surowska B. , Bieniaś J.

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość na rozciąganie laminatów o osnowie z żywicy epoksydowej wzmacnianych włóknami węglowymi w warunkach temperatur niskiej i pokojowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polymer composites based on carbon fibers are used in a large number of applications in the environment of low temperatures. The current use of such composites is not limited to support structures but carbon/epoxy materials are also used successfully as primary structures in aeronautic applications. The paper presents the tensile properties of a AS7J carbon/epoxy laminate at low and room temperatures. The composite prepreg system includes epoxy M12 resin as the matrix and unidirectional high-strength carbon fibers as reinforcement. Tensile tests were performed at room temperature (RT), 223 and 153 K using an MTS 322.31 testing machine equipped with an environmental chamber. The strain gauge Vishay CEA-06-125UT- 350 was employed to measure the strain. The tensile modulus, strength and Poisson ratio at different temperatures were compared. The failure analysis of the samples was investigated by scanning electron microscopy (SEM). F The fracture morphology at the interface between the fiber and matrix was also observed. The results have shown that the mechanical properties depend on temperature. The tensile modulus of the AS7J carbon/epoxy laminate increased as the temperature decreased, however, the tensile strength showed a slight decrease at lower temperatures. The value of Poisson's ratio fell slightly when the temperature decreased. The failure analysis of the specimens indicates that the nature of the destruction of the samples is also dependent on temperature. Classic morphology damage known as high-energy damage was observed in samples tested at room temperature and a more complex type of damage occurred in the samples at the temperature of 153 K.

PL

Laminaty polimerowe zawierające włókna węglowe są często stosowane w środowisku niskich temperatur. Obecnie wykorzystanie tego typu materiałów nie ogranicza się do budowy struktur pomocniczych, ale laminaty na osnowie żywic epoksydowych wzmacnianych włóknami węglowymi są z powodzeniem stosowane na główne elementy konstrukcyjne w przemyśle kosmicznym. W pracy przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie laminatu wzmacnianego włóknami AS7J na osnowie żywicy epoksydowej w różnych temperaturach. Materiał badawczy składał się z warstw jednokierunkowej taśmy prepregowej zawierającej wysokowytrzymałe włókna węglowe o osnowie żywicy epoksydowej M12. Badanie wytrzymałości na rozciąganie przeprowadzono w temperaturach 295, 223 oraz 153 K za pomocą maszyny wytrzymałościowej MTS 322.31 wyposażonej w komorę środowiskową. Do wyznaczenia wartości odkształceń wykorzystano tensometry oporowe Vishay CEA-06-125UT-350. Dokonano porównania wartości modułów sprężystości wzdłużnej, wytrzymałości na rozciąganie oraz współczynnika Poissona uzyskanych w różnych temperaturach. Analizy zniszczenia próbek dokonano przy pomocy elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzono obserwacje morfologii przełomów oraz granicy rozdziału włókno-osnowa. Badania dowiodły, że badane właściwości mechaniczne są zależne od temperatury. Wartość modułu Younga wzrosła wraz ze spadkiem temperatury, natomiast wytrzymałość na rozciąganie okazała się niższa w obniżonej temperaturze. Wartość współczynnika Poissona spadła nieznacznie wraz ze spadkiem temperatury. Analiza fraktograficzna wskazuje, że charakter zniszczenia próbek również zależy od temperatury. Zaobserwowano klasyczną morfologię zniszczenia określaną jako wysokoenergetyczną dla próbek badanych w temperaturze pokojowej oraz bardziej złożony typ zniszczenia dla próbek badanych w temperaturze 153 K.

Słowa kluczowe

EN

carbon fibre; laminates; tensile property

PL

włókna węglowe; laminat; właściwości wytrzymałościowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 3
• Strony: 182--185
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Majerski K.

autor

Surowska B.

autor

Bieniaś J.

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

Bibliografia

• [1] Willis P., Hsieh C.H., Space Applications of Polymeric Materials, Society of Polymer Science - Kobunshi Japan 1999.
• [2] MIL-HDBK-17-1F, Composite Materials Handbook, 2002.
• [3] Schutz J.B., Properties of composite materials for cryogenic applications, Cryogenics 1998, 38, (1), 3-12.
• [4] Freeman W.T., The use of composites in aircraft primary structure, Comp. Eng 1993, 3, 767-775.
• [5] Miracle D.P., Donaldson S.L. (eds), ASM Handbook Vol. 21 Composites, ASM International, 2001, 1875-1900.
• [6] Morgan P., Carbon Fibers and their Composites, Taylor and Francis Group, New York 2005.
• [7] Campbell F.C., Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, Elsevier, London 2006.
• [8] Kim M., Kang S., Kim CH., Kong Ch., Tensile response of graphite/epoxy composites at low temperatures, Composite structures 2007, 79, (1), 84-89.
• [9] Greenhalgh E.S., Hiley M.J., Fractography of polymer composites current status and future issues, In: Proceedings of the 13th European Conference on Composite Materials (ECCM13), Sweden, Stockholm 2008.
• [10] Reed R.P., Golda M., Cryogenic properties of unidirectional composites, Cryogenics 1994, 34, (11), 909-928.
• [11] Timmerman J.F., and the others, Matrix and fiber influences on the cryogenic microcracking of carbon fiber/epoxy composites, Composites Part A 2002, 33, 323-329.
• [12] Mallick P.K., Fiber-reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, Marcel Dekker, New York 1993.
• [13] Surendra Kumar M., Sharma N., Ray B.C., Mechanical behavior of glass/epoxy composites at liquid nitrogen Temperature, Journal of Reinforced Plastics and Composites 2008, 27, (9), 937-944.
• [14] Clements L.L., Fractography of unidirectional graphite-epoxy as a function of moisture, temperature, and specimen quality, Journal of Materials Science 1986, 21, (6), 1853-1862.
• [15] Greenhalgh E., Failure Analysis and Fractography of Polymer Composites, 1 edition 2009.