Characterization of GFRP interlayer as barrier layer in Al/CFRP laminate

• Autorzy: Surowska B. , Ostapiuk M.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka międzywarstwy GFRP jako warstwy izolacyjnej w laminacie Al/CFRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Carbon fibre reinforced polymers (CFRPs) are an attractive construction material with an increasingly wide scope of application, including the aircraft industry. By combining them with metal elements and producing fibre metal laminates (FMLs), it is possible to achieve higher mechanical properties than in the case of combinations with glass fibre reinforced polymer (GFRP). However, there is a problem associated with galvanic corrosion regarding combinations with aluminium and its alloys, stainless steel and with magnesium alloys because CFRP composites are electrical conductors. Adhesives with increasingly higher resistivity are applied in adhesive bonding technology. Fibre metal laminates (FMLs), particularly those dedicated for aircraft primary structures must be not only corrosion resistant, but first of all they must be characterized by a proper combination of mechanical properties, including fatigue features. Therefore, when designing the metal surface treatment and the type of interlayers, it is necessary to consider the joint adhesion, mechanical properties of the hybrid laminate and corrosion properties. This article presents the characterization of an interface microstructure: the anodic layer on the AA 2024 aluminium alloy-GFRP-CFRP interlayer of hybrid laminates with electrical properties presented in a previous publication. The observations have been carried out on cross-sections of Al/GFRP-R/CFRP, Al/GFRP-S/CFRP and Al/CFRP laminates in a 2/1 layout with fibres oriented in the 0° direction. Moreover, impedance measurement was performed for the oxide layer in contact with a 3.5% aqueous NaCl solution by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). It has been found that the low contact resistivity between the laminate with the GFRP-S interlayer was caused by carbon fibre migration to the Al/GFRP-S boundary. Furthermore, the low surface resistance of the CFRP composite and the porosity of the outer part of the oxide layer on aluminium enables the diffusion of aggressive ions and migration of electrical charge towards the metal substrate, which poses a threat of corrosion initiation in moisture condensation conditions.

PL

Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknem węglowym (CFRP) są atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym o coraz szerszym zastosowaniu, w tym w lotnictwie. Łączenie ich z elementami metalowymi oraz wytwarzanie laminatów metalowo-włóknistych (FML) pozwala na uzyskanie wyższych właściwości mechanicznych od połączeń z kompozytem wzmacnianym włóknem szklanym (GFRP). Niestety, dla połączeń z aluminium i jego stopami, stalą nierdzewną, stopami magnezu problemem jest korozja galwaniczna, ponieważ kompozyty CFRP są przewodnikami prądu. Do łączenia technologią klejenia stosuje się kleje o coraz wyższej rezystywności. FML przeznaczone zwłaszcza na lotnicze struktury pierwszorzędowe (ang. aircraft primery structures) muszą nie tylko być odporne na korozję, ale przede wszystkim muszą mieć odpowiedni zestaw właściwości mechanicznych, w tym zmęczeniowych. Dlatego projektowanie obróbki powierzchni metalu i rodzaju międzywarstw musi uwzględniać adhezję połączenia, właściwości mechaniczne hybrydowego laminatu i właściwości korozyjne. W artykule przedstawiono badania mikrostruktury interfejsu: warstwa anodowa na stopie aluminium AA 2024- międzywarstwa GFRP-CFRP laminatów hybrydowych o właściwościach elektrycznych przedstawionych we wcześniejszej publikacji. Obserwacje wykonano na przekrojach laminatów Al/GFRP-R/CFRP, Al/GFRP-S/CFRP oraz Al/CFRP w układzie 2/1 z włóknem w kierunku 0°. Ponadto wykonano pomiar impedancji dla warstwy tlenkowej w kontakcie z 3.5% wodnym roztworem NaCl metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Stwierdzono, że przyczyną niskiej rezystywności kontaktowej laminatu z międzywarstwą GFRP-S była migracja włókna węglowego do granicy Al/GFRP-S. Ponadto niska rezystancja powierzchniowa kompozytu CFRP i porowatość zewnętrznej części warstwy tlenkowej na aluminium umożliwia dyfuzję agresywnych jonów i wędrówkę ładunku elektrycznego w kierunku podłoża metalowego, co stwarza zagrożenie inicjowania korozji w warunkach kondensacji wilgoci.

Słowa kluczowe

EN

CFRP; FML hybrid laminates; GFRP interlayer; EIS; interface microstructure

PL

CFRP; hybrydowe laminaty FML; międzywarstwa GFRP; EIS; mikrostruktura interfejsu

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 4
• Strony: 232--237
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Surowska B.

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

autor

Ostapiuk M.

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

Bibliografia

• [1] Surowska B., Jakubczak P., Bieniaś J., Structure and chemistry of fibre metal laminates, [in:] Hybrid Polymer Composite Materials: Structure and Chemistry, eds. V.K. Thakur, M.K. Thakur, R.K. Gupta, Chapter 8, Woodhead Publishing 2017, 193-234.
• [2] Alderliesten R., Fatigue and Fracture of Fibre Metal Laminates, Springer International Publishing AG 2017.
• [3] Botelho E.C., Silva R.A., Pardini L.C., Rezende M.C., A review on the development and properties of continuous fibre/epoxy/aluminium hybrid composites for aircraft structures, Mater. Res. 2006, 9, 247-256.
• [4] Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., Properties and characterization of fibre metal laminates, [in:] Hybrid Polymer Composite Materials: Properties and Characterisation, ed. V.K. Thakur, M.K. Thakur, A. Pappu, Chapter 11, Woodhead Publishing, 2017, 253-277.
• [5] Sinmazcelik T., Avcu E., Bora M.O., Coban O., A review: Fibre metal laminates background, bonding types and applied test methods, Mater. Des. 2011, 32, 3671-3685.
• [6] Vargel C., Jacques M., Schmidt M.P., Corrosion of Aluminium, Elsevier 2004.
• [7] Dursun T., Soutis C., Review: Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys, Materials and Design 2014, 56, 862-871.
• [8] Damato C.A., Botelho E.C., Rezende M.C., Influence of the environmental conditioning on the fatigue behaviour of carbon fibre/epoxy/aluminium laminates, [In:] 13th European Conference on Composite Materials, Stockholm, Sweden, 2008.
• [9] Cai B.P., Liu Y.H., Ren C.K., Liu Z.K., Tian X.J., Abulimiti A.B., Experimental study of galvanic corrosion behaviour of carbon fibre composite coupled to aluminium in artificial seawater, Corrosion Engineering, Science and Technology 2012, 47(4), 289-296.
• [10] Liu Z., Curioni M., Jamshidi P., Walker A., Prengnell P., Thompson G.E., Skeldon P., Electrochemical characteristics of a carbon fibre composite and the associated galvanic effects with aluminium alloys, Applied Surface Science 2014, 314, 233-240.
• [11] Surowska B., Ostapiuk M., Electrical properties of aluminium-fibre reinforced composite laminates, Composites Theory and Practice 2016, 16, 4, 223-229.
• [12] ASTM D257-99 Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials.
• [13] Trzaska M., Trzaska Z., Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna w inżynierii materiałowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.
• [14] Ahuir-Torres J.I., Arenas M.A., Perrie W., Dearden G., de Damborene J., Surface texturing of aluminium alloy AA2024-T3 by picosecond laser: Effect on wettability and corrosion properties, Surface & Coatings Technology 2017, 321, 279-291.
• [15] Cheng Y.L., Zhang Z., Cao F.H., Li J.F., Zhang J.Q., Wang J.M., Cao C.N., A study of the corrosion of aluminium alloy 2024-T3 under thin electrolyte layers, Corrosion Science 2004, 46, 1649-1667.
• [16] Gobara M., Kamel H., Akid R., Baraka A., Corrosion behaviour of AA2024 coated with an acid-soluble collagen/hybrid silica sol-gel matrix, Progress in Organic Coatings 2015, 89, 57-66.
• [17] Palomino L.E.M., Suegama P.H., Aoki I.V., Paszti Z., de Melo H.G., Investigation of the corrosion behaviour of a bilayer cerium-silane pre-treatment on Al 2024-T3 in 0.1M NaCl, Electrochemica Acta 2007, 52, 7496-7505.
• [18] Stefaniak D., Kappel E., Spröwitz T., Hühne C., Experimental identification of process parameters inducing warpage of autoclave-processed CFRP parts, Composites: Part A 2012, 43, 1081-1091.
• [19] Twigg G., Poursartip A., Fernlund G., Tool-part interaction in composites processing. Part I: experimental investigation and analytical model. Composites Part A 2004, 35, 121-133.
• [20] Radford D., Cure shrinkage induced warpage in flat uniaxial composites, Journal of Composite Technology and Research 1993, 15, 290-296.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).