Low velocity impact resistance of aluminium/carbon-epoxy fiber metal laminates

• Autorzy: Bieniaś J. , Jakubczak P.

Warianty tytułu

PL

Odporność laminatów metalowo-włóknistych typu aluminium/kompozyt węglowo-epoksydowy na uderzenia przy niskich prędkościach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fiber metal laminates are a new kind of hybrid materials. There are good candidates for advanced aerospace structural applications due to their high specific mechanical properties. The study researches the resistance to low-velocity impact of hybrid laminates based on aluminum alloys and a carbon/epoxy composite (Al/CFRP). These are completely new materials which have higher strength properties compared to other materials of this type (GLARE, ARALL), high fatigue strength, low weight, etc. The tested laminates were prepared by the autoclave method, which provides the best possible and repeatable quality of the received components. The laminates were analysed in terms of a comparison of their impact resistance according to different layer configurations and different energy levels. The laminates response to low velocity impact using a hemispherical tipped impactor (diameter 12.7 mm) were analyzed. The variation of the impact load as a function of force-time for different layer systems at each energy level was determined. After the tests, the damage zone was evaluated by using ultrasonic and image analysis methods. On this basis the dependencies of the damage zone area and maximum depth of the deformation depending on the layer configurations and energy level were determined. It was noted that Al/CFRP laminates are innovative materials characterized by high impact damage resistance (at low-velocity) because of the superior properties of both metals and fibrous composite materials with strong adhesion bonding. There is a combination of high stiffness and strength from the carbon/epoxy composite layers and good mechanical, ductile properties from aluminum. Generally, specific parameters such as incipient load (Pi), peek load Pm, maximum depth and damage area increased with impact energy. For lower impact energies (up to 10 J) and the first stage of the impact process, minor matrix cracking and delamination in the polymer composite and at the aluminum/composite interface may be observed. However, as the impact energy increased, fiber failures were observed to be the dominant damage mode. The first crack of FMLs (on the back side) was connected with the fiber directions in the finally layer of the carbon epoxy composite. The ply configuration (fiber directions) in Al/CFRP laminates has been particularly important for their impact resistance. The FML with (0/90) and ((± 45) ply sequences in the carbon fiber reinforced composite have the best behavior followed by the (0) configuration.

PL

Laminaty metalowo-włókniste (FML) są nowoczesnymi materiałami hybrydowymi mającymi potencjalnie szerokie zastosowanie w technice lotniczej ze względu na wysokie właściwości mechaniczne (szczególnie wytrzymałość zmęczeniową, odporność na uderzenia). W pracy scharakteryzowano odporność na uderzenia (impact) przy niskiej prędkości laminatów metalowo-włóknistych na bazie stopu aluminium i kompozytu węglowo-epoksydowego (Al/CFRP). Materiały te, będące w sferze zainteresowań przemysłu lotniczego, powstały na podstawie prowadzonych badań i zastosowań innych laminatów FML (typu GLARE oraz ARALL). Badane laminaty Al/CFRP wytworzono metodą autoklawową, zapewniającą możliwie najwyższą i powtarzalną jakość otrzymanych elementów. Laminaty charakteryzowano pod kątem porównania ich odporność na impact w zależności od konfiguracji warstw [(0), (0/90), (± 45)] i energii uderzenia (10 J, 20 J, 25 J). Zastosowano urządzenie typu drop-weight oraz półsferyczny impactor o średnicy 12,7 mm (0,5"). Wyznaczono przebieg siły uderzenia w czasie, siłę maksymalną oraz siłę, przy jakiej występuje początek procesu zniszczenia materiału (Pi). Ocenie poddano także strefę zniszczenia metodami ultradźwiękowymi oraz technikami analizy obrazu. Określono obszar zniszczenia oraz głębokość odkształcenia w stosunku od układu warstw i energii uderzenia. Odnotowano, że laminaty Al/CFRP charakteryzują się wysoką odpornością na impact (przy niskich prędkościach uderzenia) związaną z właściwościami poszczególnych komponentów: sprężysto-plastycznego metalu i wysoką sztywnością kompozytu epoksydowo-węglowego. Wartości siły maksymalnej, inicjacji uszkodzenia, maksymalnego odkształcenia i strefy zniszczenia wzrastają wraz ze wzrostem energii uderzenia. Przy energiach nieprzekraczających 10 J odnotowano delaminacje pomiędzy aluminium i kompozytem oraz pękanie osnowy kompozytu polimerowego. Kierunek pękania badanego laminatu FML jest ściśle związany z kierunkiem ułożenia warstw w kompozycie polimerowym. Konfiguracja warstw kompozytu w laminacie Al/CFRP ma bezpośrednie znaczenie na odporność na impact. Laminaty (0/90) i (š45) charakteryzują się wyższą odpornością na impact w porównaniu do laminatów o jednokierunkowym ułożeniu warstw (0) w kompozycie epoksydowo-węglowym.

Słowa kluczowe

EN

fibre metal laminates; hybrid composites; impact resistance; carbon fibres; failure

PL

laminaty metalowo-włókniste; kompozyty hybrydowe; odporność na impact; włókna węglowe; zniszczenie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 3
• Strony: 193--197
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

autor

Jakubczak P.

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

Bibliografia

• [1] Vlot A., Gunnink J.W., Fiber Metal Laminates, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2001.
• [2] Alderliesten R.C., Homan J.J., Fatigue and damage tolerance issues of Glare in aircraft structures, International Journal of Fatigue 2006, 28, 10, 1116-1123,.
• [3] Vogelesang L.B., Vlot A., Development of fiber metal laminates for advanced aerospace structures, Journal of Materials Processing Technology 2000, 103, 1, 1-5.
• [4] Bieniaś J., Fiber Metal Laminates – some aspects of manufacturing process, structure and selected properties. Composites 2011, 11, 1, 39-43.
• [5] Liaw B.M., Liu Y.X., Villars E.A., Impact Damage Mechanisms in Fiber Metal Laminates, Proceedings of the SEM Annual Cenference on Experimental and Applied Mechanics, Portland, Oregon.
• [6] Ardakani M.A., Khatibi A.A., Ghazavi S.A., A study on the manufacturing of Glass-Fiber-Reinforced Aluminum Laminates and the effect of interfacial adhesive bonding on the impact behavior, Proceedings of the XI International Congress and Exposition, June 2-5, Orlando, Florida USA, 2008.
• [7] Vlot A., Krull M., Impact Damage Resistance of Various Fiber Metal Laminates, J. Phys IV France 7, Paris, France 1997.
• [8] Arai N., Ogasawara T., Yokozeki T, Ogawa T., Mechanical properties of CFRP/Ti-alloy laminated composites. 16th International Conference on Composites Materials, Kyoto, Japan, 2007.
• [9] ASTM D7136, Standard test method for measuring the damage resistance of a fiber reinforced-polymer matrix composites to a drop-weight impact event, Book of Standards, 2005, Volume 15.03.
• [10] Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L., Impact damage characterization of carbon fiber/epoxy composites with multi-layer reinforcement. Composites: Part B 2000, 31, 681-691.
• [11] Sayer M., Bektas N.B., Sayman O., An experimental investigation on the impact behavior of hybrid composite plates. Composite Structures 2010, 92, 1256=1262.
• [12] Nakatani H., Kosaka T., Osaka K., Sawada Y., Damage characterization of titanium/GFRP hybrid laminates subjected to low-velocity impact, Composites: Part A 2011, 42, 772-781.
• [13] Lawcock G.D., Ye L., Maia Y.W., Sun C.T., Effects of fibre/matrix adhesion on Carbon-fibre-reinforced metal laminates-II. Impact behaviour, Composites Science and Technology 1997, 57, 1621-1628.
• [14] Song S.H., Byun Y.S., Ku T.W., Song W.J., Kim J., Kang B.S., Experimental and numerical investigation on impact performance of carbon reinforced aluminum laminates, J. Mater. Sci. Technol. 2010, 26(4), 327-332.
• [15] Caprino G., Spatarob G., Del Luongo S., Low-velocity impact behaviour of fiberglass aluminium laminates, Composites: Part A 2004, 35, 605-616.
• [16] Zupmano G., Sutcliffe M.P.F., Monroy Aceves C., Stronge W.J., Fox M., Impact damage to 3D woven CFRP composite plates, 17th International Conference on Composite Materials, ICCM' 09, Edinburgh, Scotland 2009.
• [17] Li C.F., Hu N. Yin Y.J, Sekine H., Fukunaga H., Low-velocity impact-induced damage of continuous fiberreinforced composite laminates. Part I. An FEM numerical model, Composites: Part A 2002, 33.