Metody wzmacniania laminatów polimerowo-włóknistych w kierunku translaminarnym

• Autorzy: Kozioł M. , Śleziona J.

Warianty tytułu

EN

Methods of thoughening of FRP laminates into translaminar direction

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca prezentuje aktualny stan zagadnienia wzmacniania laminatów polimerowo-włóknistych w kierunku translaminarnym. Opisano metody wzmacniania laminatów poprzez modyfikowanie osnowy, wprowadzanie między warstw oraz modyfikowanie zbrojenia. Omówiono różnicę pomiędzy trójwymiarowymi półfabrykatami zbrojącymi (rys. 1-5-3), a laminatami trójwymiarowymi. Stwierdzono, iż najskuteczniejszą grupą metod polepszania właściwości mechanicznych laminatu w kierunku translaminarnym są metody związane z modyfikacją architektury zbrojenia, takie jak: tkanie trójwymiarowe, wzmacnianie szpilkami (rys. 4), zszywanie. Modyfikacja żywic oraz wprowadzanie między warstw nie daje tak dużego wzmocnienia laminatu w kierunku translaminarnym. Stosowanie półfabrykatów zbrojących (tkaniny oraz prepregi NCF i MMF, tkaniny 3D oraz 2.5D) nie ma większego wpływu na wzmocnienie laminatu w k erunku translaminarnym. Stosowanie ich upraszcza jednak proces technologiczny wytwarzania laminatów. Spośród trzech metod wzmacniania laminatów w kierunku translaminarnym (wytwarzanie laminatów 3D), najdoskonalsza wydaje się być metoda tkania preform trójwymiarowych. Nie jest ona jednak rozpowszechniona ze względu na problemy technologiczne. Metodą najczęściej stosowaną jest obecnie zszywanie warstw zbrojących. Przedstawiono najważniejsze parametry zszywania (rys. 5, 6, tab. 1). Właściwości mechaniczne laminatu zszywanego zależą w dużym stopniu od: właściwości materiału nici (moduł sprężystości, wytrzymałość), rodzaju zastosowanego ściegu oraz parametrów szycia (gęstość przeszyć, siła naciągu nici). Technika zszywania jest z powodzeniem wykorzystywana zarówno do zszywania preform o dużej powierzchni, jak i do zszywania selektywnego. Zaprezentowano wyniki badań przykładowych laminatów zszywanych (tab. 2, 3); stwierdzono konieczność każdorazowej optymalizacji parametrów szycia, takich jak gęstość przeszyć oraz siła naciągu nici. Zszywanie selektywne jest wykorzystywane m.in. do wzmacniania połączeń między elementami kompozytowymi (złącza nakładkowe, złącza typu T) oraz do zabezpieczania krawędzi laminatów przed rozprzestrzenianiem pęknięć delaminacyjnych.

EN

The paper presents recent knowledge about thoughening of FRP laminates into translaminar direction. Methods of thoughening of the laminates by modification of matrix, by inserting the interlayers and by modification of the reinforcement are descripted. The difference between 3D reinforcement semi-manufactures (Fig. R3), and 3D laminates. It was found, that the most effective methods of thoughening the laminates in the interlaminar direction are the methods consisted in modification of reinforcement architecture, like: 3D weaving, z-pinning (Fig. 4), stitching. The resin modification and inserting of the interlayers do not give efficent thoughening of the laminate into translaminar direction. Applying of the 3D reinforcement semi-manufactures (NFC & MMF fabrics and prepregs, 3D & 2.5D fabrics) have not an sig-nificant effect on thoughening of the laminate into translaminar direction. The 3D reinforcement semi-manufactures simplify manufacturing of the laminates. From among three methods of thoughening of the laminates into translaminar direction (manufacturing of 3D laminates), the most excellent seems 3D weaving. This method has not been common techniąue, because of technological problems. Most common method of thoughening of the laminates into translaminar direction is stitching of the reinforcing layers. The most important parametres of stitching were presented (Fig. 5-6, Tab. 1). Mechanical properties of stitched laminate are strongly dependent on: thread materiał properties (elastic modulus, strength), applied welding seąuence and stitching parametres (stitch density, thread tension). Stitching techniąue is used succesfully for comprehensive stitchnig (big-surface preforms) and for selective stitching as well. The results of investigations of samplery stitched laminates were presented (Tab. 2 and 3); it was concluded that it is necessery to optimize the stitching parameters: stitch density, thread tension, for each application. Selective stitching is used, among other things, for reinforcing the joints between composite parts (cover joints, T-joints) and for protecting the laminate edges from propagation of the delamination cracks.

Słowa kluczowe

PL

laminat polimerowo-włóknisty; metody wzmacniania

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 29, nr 5
• Strony: 502--508
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kozioł M.

autor

Śleziona J.

• Katedra Technologii Stopów metali i Kompozytów, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika Śląska,

Bibliografia

• [1] Chung W. C., Jang B. Z., Chang T. C., Hwang L. R., Wilcox R. C.: Fracture behaviour in stitched multidirectional composites, Mat. Sci. Eng. A112 (1989) 157-173.
• [2] Liu D.: Delamination resistance in stitched and unstitched composite plates subjected to composite loading, Journal of Reinforced Plastics and Composites 9 (1990) 59-69.
• [3] Cantwell W. J., Morton J.: The impact resistance of composite materiale – a review, Composites 22 (1991) 347-362.
• [4] Kim J., Shioya M., Kobayashi H., Kaneko J., Kido M.: Mechanical properties of woven laminates and felt composites using carbon fibers. Part 2: interlaminar properties, Composites Science and Technology 64 (2004) 2231-2238.
• [5] Grubbs R. B., Dean J. M., Broz M. E., Bates F. S.: Reactive block copolymers for modification of thermosetting epoxy, Macromolecules 33/26 (2000) 9522-9534.
• [6] Ratna D., Samui A. B., Chakraborty B. C.: Flexibility improvement of epoxy resin by chemical modification, Polymer International 53/11 (2004) 1882-1887.
• [7] Strona internetowa: www.cyclics.com, wrzesień (2006).
• [8] Imielińska K., Wojtyra R.: Advanced epoxy composites of improved impact tolerance, Kompozyty 4 (2004) 9 61-67.
• [9] Sanadi A. R.: Interphase modification in graphite-epoxy composites, Washington State University, Pullman (1990).
• [10] Sohn M. S., Hu X. Z., Kim J. K., Walker L.: Impact damage characteri zation of carbon fibre/epoxy composites with multilayer reinforcement, Composites: Part B 31 (2000) 681-691.
• [11] Greenhalgh E., Hiley M.: The assessment of novel materials and processes for the impact tolerant design of stiffened composite aerospace structures, Composites: Part A 34 (2003) 151-161.
• [12] Bibo G., Hogg P., Backhouse R., Mills A.: Carbon-fibre non-crimp fabric laminates for cost-effective damage-tolerant structures, Composites Science and Technology 58 (1998) 129-143.
• [13] Bannister M.: Challenges for composites into the next millenium – a reinforcement perspective, Composites: Part A 32 (2001) 901-910.
• [14] Lomov S. V., Belov E. B., Bischoff T., Ghosh S. B., Truong T. C., Verpoest I.: Carbon composites based on multiaxial multiply stitched preforms. Part 1. Geometry of the preform, Composites: Part A 33 (2002) 1171-1183.
• [15] Lomov S. V., Verpoest I., Barburski M., Laperre J.: Carbon composites based on multiaxial multiply stitched preforms. Part 2. KES-F characteri zation of the deformability of the preforms at low loads, Composites: Part A 34 (2003) 359-370.
• [16] Lomov S. V., Barburski M., Stoilova T., Verpoest I., Akkerman R., Loendersloot R., Thije R. H. W.: Carbon composites based on multiaxial multiply stitched preforms. Part 3. Biaxial tension, picture frame and compression tests of the preforms, Composites: Part A 36 (2005) 1188-1206.
• [17] Truong T. C., Vettori M., Lomov S., Verpoest I.: Carbon composites based on multiaxial multiply stitched preforms. Part 4. Mechanical properties of composites and damage observation, Composites: Part A 36 (2005) 1207-1221.
• [18] Ivens J., Debaere P., McGoldrick C., Verpoest I.: 2.5D fabrics for delamination resistant composite structures, Composites 25/2 (1994) 139-146.
• [19] Dickinson L. C., Farley G. L., Hinders M. K.: Translaminar reinforced composites: A review, Journal of Composites Technology and Research 21/1 (1999) 3-15.
• [20] Huang S. L., Richey R. J., Deska E. W.: Cross reinforcement in a GR/ EP laminate, Materiały Konferencyjne „American Society of Mechanical Engineers, Winter Annual Meeting”, San Francisco (1978).
• [21] Yan W., Lui H.-Y., Mai Y.-W.: Mode II delamination toughness of z-pinned laminates, Composites Science and Technology 64 (2004) 1937- 1945.
• [22] Krueger R.: Modelling of unit–cells with z-pins using FLASH: pre-processing and post-processing. NIA Report No. 2005 - 01, National Institute of Aerospace, Hampton (2005).
• [23] Jain L. K., Mai Y.-W.: On the effect of stitching on mode I delamination toughness of laminated composites, Composites Science and Technology 51 (1994) 331-345.
• [24] Mignery L. A., Sun C. T., Tan T. M.: The use of stitching to suppress delamination in laminated composites, ASTM STP 876 (1985) 371-385.
• [25] Su K. B.: Delamination resistance of stitched thermoplastic matrix composite laminates, ASTM STP 1044 (1989) 279-300.
• [26] Dransfield K., Baillie C., Mai Y.-W.: Improving the delamination resistance of CFRP by stitching – a review, Composites Science and Technology 50 (1994) 305-317.
• [27] Havley A. V., Sutton J. O.: Design and analysis considerations for stitched/RTM composite wing structure, Materiały Konferencyjne „4th NASA/DoD Advanced Composite Technology Conference”, NASA CP 3229/1, Part 1, NASA, Waszyngton (1993).
• [28] Dexter H. B., Funk J. G.: Impact resistance and inter-laminar fracture thoughness of through-the-thickness reinforced graphite/epoxy, Materiały Konferencyjne „27th Structures, Structural Dynamics and Materiale Conference” (1986).
• [29] Pelstring R. M., Madan R. C.: Stitching to improve damage tolerance of composites, Materiały Konferencyjne „34th International SAMPE Symposium” (1989).
• [30] Sharma S. K., Sankar B. V.: Effect of through-the-thickness stitching on impact and interlaminar fracture properties of textile graphite/epoxy laminates, Raport NASA CR 195402 (1995).
• [31] Havley A. V.: Development of stitched/RTM primary structures for transport aircraft, Raport NASA CR 191441 (1993).
• [32] Kullerd S. M., Dow M. B.: Development of stitched/RTM composite primary structures, Materiały Konferencyjne „2nd NASA Advanced Composites Technology Conference, 1991”, NASA CP 3154, NASA, Waszyngton (1992).
• [33] Mouritz A. P., Gallagher J., Goodwin A. A.: Flexural strength and interlaminar shear strength of stitched GRP laminates following repeated impacts, Composites Science and Technology 57 (1997) 509-522.
• [34] Sankar B. V., Sharma S. K.: Mode II delamination thoughness of stitched graphite/epoxy textile composites, Composites Science and Technology 57 (1997) 729-737.
• [35] Liu D.: Delamination in stitched and nonstitched composite plates subjected to low-velocity impact, Materiały Konferencyjne „American Society for Composites 2nd Technical Conference”, Newark (1987).
• [36] Palmer R. J., Dow M. B., Smith D. L.: Development of stitching reinforcement for transport wing panels, Materiały Konferencyjne „1st NASA Advanced Composites Technology Conference, 1990”, NASA CP 3104, Part 1, NASA, Waszyngton (1991).
• [37] Vandermey N. E., Morris D. H., Masters J. E.: Damage development under compression-compression fatigue loading in a stitched uniwoven graphite/epoxy composite material, NASA Report PB91-236026 (1991).
• [38] Morales A.: Structural stitching of textile preforms, Materiały Konferencyjne „22nd International SAMPE Technical Conference”, Boston (1990) 1217-1230.
• [39] Kozioł M.: Odporność na delaminację zszywanych laminatów polimer- -włókno szklane, Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Katowice (2007).
• [40] Kozioł M., Śleziona J.: Wpływ deformacji struktury zbrojenia na właściwości mechaniczne zszywanych laminatów żywica poliestrowa- -włókno szklane, Inżynieria Materiałowa 151/3 (2006) 616-620.
• [41] Sawyer J. W.: Effect of stitching on the strength of bonded composite single lap joints, AIAA Journal 23/1 (1985).
• [42] Lee C., Liu D.: Stitching joint in woven composite material, część publikacji pt. „Recent advances in the macro- and micro-mechanics of composite materials structures”, ASME, Nowy Jork (1989).
• [43] Tada Y., Ishikawa T.: Tentative evaluation of effects of stitching on CFRP laminate specimens, Materiały Konferencyjne „Composites 86: Recent Advances in Japan and the United States CCM-III”, Tokio (1986).
• [44] Tada Y., Ishikawa T.: Experimental evaluation of effects of stitching on CFRP laminate specimens with various shapes and loadings, Key Engineering Materials 37 (1989).
• [45] Reeder J. R., Glaessgen E. H.: Debonding of stitched composite joint under static and fatigue loading, Journal of Reinforced Plastics and Composites 23/3 (2004) 249-263.
• [46] Garrett R. A.: Effect of defects on aircraft composite structures, Materiały Konferencyjne „Characterization, Analysis and Significance of Defects in Composite Materials”, AGARD-CP 355, NASA, Waszyngton (1983).
• [47] Deaton J. W., Kullerd S. M., Madan R. C., Chen V. L.: Test and analysis results for composite transport fuselage and wing structures, Materiały Konferencyjne „2nd NASA Advanced Composites Technology Conference, 1991”, NASA CP 3154, NASA, Waszyngton (1992).
• [48] Madan R. C., Voldman M.: Test results from large wing and fuselage panels, Materiały Konferencyjne „3rd NASA Advanced Composites Technology Conference, 1992”, NASA CP 3178, Part 1, NASA, Waszyngton (1992).
• [49] Renze S. P., Carnegie S. W., Sandow F.: Experimental evaluation of survivable composite structural concepts, AIAA-96-1326-CP, NASA, Waszyngton (1996).
• [50] Cacho-Negrette C.: Integral composite skin and spar (ICSS) study program – vol. 1, AFWAL-TR-82-3053 (1982).
• [51] Green A. K., Bowyer W. H.: The development of improved attachment methods for stiffening frames on large GRP panels, Composites 1 (1981).
• [52] Stickler P. B., Ramulu M.: Parametric analyses of stitched composite T-joints by the finite element method, Materials and Design 23 (2002) 751-758.
• [53] Kumari S., Sinha P. K.: Effects of transverse stitching and hygrothermal environment on composite wing T-joints, Journal of Reinforced Plastics and Composites 22/18 (2003) 1705-1728.
• [54] Nishimura A., Aotani H.: New fabric structures for composite, Materiały Konferencyjne „Composites 86: Recent Advances in Japan and the United States CCM-III”, Tokio (1986).
• [55] Tsai G. C.: Global/local stress analysis of stitched composite laminate, Materiały Konferencyjne „22nd International SAMPE Technical Conference”, Kiamesha Lake (1991)