Characteristics of failure mechanisms and shear strength of sandwich composites

• Autorzy: Greń K. , Szatkowski P. , Chłopek J.

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka mechanizmów zniszczenia i wytrzymałości na ścinanie kompozytów typu „sandwich”

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sandwich composites are very popular nowadays due to their beneficial mechanical parameters and low weight. The aim of the paper was to investigate the failure mechanisms of different sandwich structures under shear stresses. Composites consisting of carbon laminate skins and cores with different geometry were tested. The core materials included various expanded polymer foams, balsa wood and honeycomb structures - aramid and cellulose. These material combinations enabled the authors to compare the specific shear strength and fracture energy of different sandwich structures, describe the factors which influence the behavior of materials under shear tension, and characterize the failure mechanisms. Sandwich composites were manufactured by two methods: the one-step method in which carbon fabric was laminated directly onto the core, and by the two-step method. The faces made employing the first method failed to meet the appropriate strength criteria, therefore the second method was used. In the first step, faces made of four layers of carbon fabric and epoxy resin were pre-manufactured by hand lay-up. After crosslinking, the faces were glued to the core and left in higher pressure conditions. Samples were cut to the required dimensions. Shear strength was tested by three point bending of a short beam. The method is simple and allows shear stresses to dominate in the sample. Tests were made on a testing machine, Zwick 1435. The density of the samples was considered as well, so as to compare their specific strength. The highest value of specific shear strength, (8.7 ±0.7)·10³ Nm/kg, was demonstrated by the composite with balsa, whereas for the composite with the honeycomb it reached (3.3 ±0.3)·10³ Nm/kg and for samples with foams (4.2 ±0.2)·10³ Nm/kg. Additionally the failure energy was calculated for each material. The composite with aramid honeycomb had the highest value - it reached (9.3 ±0.5) kJ/m² , while value of this parameter for balsa was the lowest: (3.3 ±0.3) kJ/m² . The composite with balsa deformed elastically until break point and a crack between the layers appeared. The sandwich structure with the aramid honeycomb core is a promising material as it exhibited a multi-stage failure mechanism. Firstly, it deformed elastically, then the cells collapsed. Only in the composite with balsa and honeycomb with four-layer skins was shear the dominant failure mechanism. The composites with isotropic foams did not fulfill expectations, they deformed plastically and a notch appeared. That is why they need further examinations to increase their shear strength. In this study, the cracking mechanisms of the composites were evaluated based on microscopic observations using a digital microscope. Depending on the core geometry, the following mechanisms were identified: core shear for the honeycomb, delamination and crack for balsa, and notch appearance for the foam composites. The presented results are an introduction to further investigations of sandwich failure under different conditions.

PL

Kompozyty sandwich cieszą się dużą popularnością, ponieważ, posiadając niską masę, wykazują korzystne parametry wytrzymałościowe. Celem pracy było zbadanie mechanizmów zniszczenia różnego rodzaju kompozytów sandwich w warunkach ścinania. Przedmiotem badań przedstawionych w artykule są kompozyty przekładkowe, zbudowane z okładek - laminatów z tkaniny węglowej - oraz rdzeni o odmiennej geometrii. Jako materiały na rdzenie zastosowano różnego rodzaju pianki polimerowe, balsę oraz struktury typu plaster miodu - aramidową i celulozową. Dzięki modyfikacji składu kompozytu można było porównać wytrzymałość na ścinanie oraz pracę zniszczenia otrzymanych struktur „sandwich”, opisać czynniki wpływające na zachowanie się materiału pod wpływem naprężeń ścinających oraz mechanizmy zniszczenia. Do wykonania kompozytów wykorzystano dwie metody produkcji okładek - jednoetapową (przyklejenie jednej warstwy tkaniny węglowej osnową epoksydową bezpośrednio do rdzenia) i dwuetapową. Okładki wykonane pierwszą metodą nie spełniły oczekiwań wytrzymałościowych, dlatego zastosowano drugą metodę. Najpierw wykonano czterowarstwowe laminaty z tkaniny węglowej i żywicy epoksydowej za pomocą metody laminowania ręcznego. Laminaty te pozostawiono do usieciowania, a w kolejnym etapie utwardzone okładki przyklejono do rdzeni. Następnie próbki przycięto do wymaganych wymiarów. Do zbadania wytrzymałości na ścinanie wykorzystano test trójpunktowego zginania krótkiej belki. Jest to prosta metoda, która pozwala wytworzyć w próbkach dominujące naprężenia ścinające. Badania zostały przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej Zwick 1435. W pracy uwzględniono również gęstość próbek, dzięki czemu można było porównać ich wytrzymałość właściwą. Najwyższą wartość wytrzymałości na ścinanie właściwej, (8.7 ±0.7)·10³ Nm/kg, uzyskał kompozyt z rdzeniem z balsy, podczas gdy dla kompozytu z aramidowym plastrem miodu wyniosła ona (3.3 ±0.3)·10³ Nm/kg i dla pianek (4.2 ±0.2)·10³ Nm/kg. Dodatkowo obliczono pracę zniszczenia poszczególnych materiałów. Dla kompozytu z plastrem miodu była ona najwyższa i wyniosła (9.3 ±0.5) kJ/m², natomiast wartość tego parametru dla balsy była najniższa: (3.3 ±0.3) kJ/m². Materiał z balsą odkształca się sprężyście do momentu pojawienia się pęknięcia w rdzeniu i oddzielenia się od siebie warstw. Kompozyt z plastrem miodu również jest obiecującym materiałem. Odkształcenie jego przebiega kilkuetapowo - najpierw sprężyście, a następnie poprzez zapadanie się komórek. Tylko te dwa materiały w połączeniu z czterowarstwową okładką węglową ulegają ścinaniu. Izotrotropowe pianki w badanym zestawieniu nie spełniły oczekiwań, zaobserwowany mechanizm zniszczenia to odkształcenie plastyczne i powstanie karbu, dlatego kompozyty te wymagają dalszych badań nad poprawą ich wytrzymałości na ścinanie. W pracy na podstawie zdjęć wykonanych na mikroskopie cyfrowym scharakteryzowano również mechanizmy pękania poszczególnych kompozytów. W zależności od ich geometrii obserwowano następujące mechanizmy zniszczenia: ścinanie rdzenia w kompozycie z plastrem miodu, pękanie rdzenia i delaminację warstw w kompozycie z balsą oraz pojawienie się karbu w strukturze z pianką. Przeprowadzone badania stanowią wstęp do dalszych eksperymentów nad mechanizmami zniszczenia kompozytów przekładkowych w różnych warunkach.

Słowa kluczowe

EN

composite; sandwich; shear; bending; strength; core; balsa; honeycomb

PL

kompozyt; sandwich; ścinanie; zginanie; wytrzymałość; rdzeń; balsa; plaster miodu

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 16, nr 4
• Strony: 255--259
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Greń K.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Biomaterials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Szatkowski P.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Biomaterials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Chłopek J.

• AGH - University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Biomaterials al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. WN PWN, Warszawa 2012.
• [2] Boczkowska A., Kapuściński J., Lindemann Z., Witemberg-Perzyk D., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
• [3] Karlsson K.F., Astrom B.T., Manufacturing and applications of structural sandwich components, Composites Part A, 1997, 28A, 97-111.
• [4] Marsavina L., Linul W., Voiconi T., Sadowski T., A comparison between dynamic and static fracture toughness of polyurethane foams, Polymer Testing 2013, 32, 673-680.
• [5] Yalkin H.E., Icten B.M., Alpyildiz T., Enhanced mechanical performance of foam core sandwich composites with through the thickness reinforced core, Composites Part B 2015, 79, 383-391.
• [6] Mostafa A., Shankar K., Morozow E.V., Insight into the shear behaviour of composite sandwich panels with foam core, Material & Design 2013, 50, 92-101.
• [7] Manalo A.C., Behaviour of fibre composite sandwich structures under short and asymmetrical beam shear tests, Compos. Struct. 2013, 99, 339-349.
• [8] www.diabgroup.com [10.05.2016].
• [9] Carlsson L.A., Kardomateas G.A., Structural and Failure Mechanics of Sandwich Composites, Springer 2011.
• [10] Gdoutos E., Daniel I., Failure mechanisms of composite sandwich structures, gruppofrattura.it
• [11] Muc A., Nogowczyk R., Formy zniszczenia konstrukcji sandwiczowych z okładzinami wykonanymi z kompozytów, Kompozyty 2005, 5.
• [12] Styles M., Compston P., Kalyanasundaram S., The effect of core thickness on the flexural behaviour of aluminium foam sandwich structures, Compos. Struct. 2007, 80, 532-538.
• [13] Manalo A.C., Aravinthan T., Karunasena W., In-plane shear behaviour of fibre composite sandwich beams using asymmetrical beam shear test, Constr. Build. Mater. 2010, 24, 10, 1952-1960.
• [14] www.hexcel.com [18.05.2016].
• [15] Hoa S., Hamada H., Lo J., Yokoyama A., Design and Manufacturing of Composites, Technomic Publising Company 2000.
• [16] PN-EN ISO 14130:2001.
• [17] Borsellino C., Calabrese L., Valenza A., Experimental and numerical evaluation of sandwich composite structures, Composite Science and Technology 2004, 64, 1709-1715.
• [18] Da Silva A., Kyriakides S., Compressive response and failure of balsa wood, International Journal of Solids and Structures 2007, 44, 8685-8717.

Uwagi

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