The effect of adhesive type on strenght of inter-layer joints in fiber metal laminate composites

• Autorzy: Kubit A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ rodzaju spoiwa na wytrzymałość międzywarstwowego połączenia adhezyjnego w kompozytach FML

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of an experimental study concerning the strength of adhesive joints between the layers of a hybrid fiber metal laminate (FML) composite. The research was conducted on composites composed of aluminum 2024-T3 sheet metal and a glass fiber reinforced polymer (GFRP) prepreg made using the autoclave process. The key factor determining the quality of the layered composites is the high strength adhesive joint between the layers. The article discusses the issue of static inter-layer adhesive joint strength under different directions of loading for various types of adhesives. Shear strength tests for a single-lap joint were performed, as well as the peel strength test using the drum peel test. The strength tests were conducted for the variant that had an inter-layer joint made by epoxy included in the prepreg, while the second variant used an additional layer of adhesive film. The surfaces of the metal layers were prepared in accordance with the methodology used in aerospace production processes. The sheet surfaces were anodized in a sulfuric acid solution and then primed. Surface structure measurements of the sheets were made immediately before the joining process. Each layer was assembled in a clean room. The strength tests of the adhesive joints were conducted in static shearing and peeling conditions at room temperature. The results show that under shear loading the adhesive film lowers the elastic module of the joint and results in a slight increase in strength. However, under normal loading, there was 289.4% increase in the peel strength of the joint with the adhesive film. After the strength tests the surfaces of the destroyed adherends were analyzed using SEM. For the shear strength specimens no significant differences were found, whereas for the specimens subjected to peeling it was shown that cohesive damage was observed for the variant with the adhesive film, while the specimens without adhesive film were characterized by adhesive damage.

PL

Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczących wytrzymałości połączenia adhezyjnego pomiędzy warstwami składowymi hybrydowego kompozytu metalowo-włóknistego (FML). Próby przeprowadzono dla kompozytów będących połączeniem blachy ze stopu aluminium 2024-T3 oraz kompozytu polimerowo-włóknistego (szklanego) wykonanych w procesie autoklawowym. Kluczowym czynnikiem determinującym jakość kompozytów warstwowych jest wysokiej wytrzymałości połączenie adhezyjne pomiędzy warstwami. Artykuł porusza zagadnienie wytrzymałości statycznej połączenia międzywarstwowego przy różnym kierunku obciążenia dla różnego typu spoiwa. Przeprowadzono badania wytrzymałości na ścinanie na podstawie wytrzymałości połączenia jednozakładkowego oraz badania wytrzymałości na oddzieranie na podstawie próby tzw. „drum peel test”. Badania wytrzymałości przeprowadzono dla wariantu, w którym połączenie międzywarstwowe uzyskano poprzez żywicę epoksydową będącą syciwem prepregu, natomiast w drugim wariancie zastosowano dodatkową warstwę kleju błonkowego. Powierzchnie warstw metalowych przygotowano zgodnie z metodologią stosowaną w przemyśle lotniczym. Powierzchnie blach anodowano w roztworze kwasu siarkowego, a następnie gruntowano. Przeprowadzono trójwymiarową analizę struktury powierzchni bezpośrednio przed procesem łączenia poszczególnych warstw kompozytu. Warstwy kompozytu układano we właściwej konfiguracji z zachowaniem zasad czystości w pomieszczeniu „czystym” (tzw. clean room). Przeprowadzono badania wytrzymałości statycznej połączenia adhezyjnego na ścinanie oraz oddzieranie w temperaturze pokojowej. Badania wykazały, że przy obciążeniach stycznych klej błonkowy wpływa na obniżenie modułu sprężystości połączenia oraz nieznacznie na wzrost wytrzymałości. Natomiast przy obciążeniach normalnych wykazano wzrost o 289,4% wytrzymałości na oddzieranie połączenia w wariancie z klejem błonkowym. Po przeprowadzonych badaniach wytrzymałościowych powierzchnie klejone poddano analizie przy użyciu m.in. mikroskopii skaningowej SEM. Dla próbek poddanych badaniom wytrzymałości na ścinanie nie wykazano tu istotnych różnic, podczas gdy próbki poddane oddzieraniu cechowały się istotnymi różnicami zależnie od wariantu. Dla próbek z klejem błonkowym wykazano zniszczenie kohezyjne, natomiast dla próbek bez kleju błonkowego - zniszczenie adhezyjne.

Słowa kluczowe

EN

FML composites; adhesive joints; shear strength; peel strength; 2024-T3 aluminum alloy; GFRP; adhesive film

PL

kompozyty FML; połączenia adhezyjne; wytrzymałość na ścinanie; wytrzymałość na oddzieranie; stop aluminium 2024-T3; kompozyty polimerowo-włókniste; klej błonkowy

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 3
• Strony: 162--168
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kubit A.

• Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszow, Poland

Bibliografia

• [1] Teixeira de Freitas S., Sinke J. Adhesion properties of bonded composite-to-aluminium joints using peel tests, J. Adhes. 2014, 90, 511-525.
• [2] Ishii K., Imanaka M., Nakayama H.J., Fatigue crack propagation behavior of adhesively-bonded CFRP/aluminum joints, Adhes. Sci. Technol. 2007, 21, 153-167.
• [3] Khoshravan M., Mehrabadi F.A., Fracture analysis in adhesive composite material/aluminum joints under mode-I loading; experimental and numerical approaches, Int. J. Adhes. Adhes. 2012, 39, 8-14.
• [4] Owens J., Lee-Sullivan P., Stiffness behavior due to fracture in adhesively bonded composite-to-aluminum joints, II. Int. J. Adhes. Adhes. 2000, 20, 47-58
• [5] Kang S., Kim M., Kim C., Evaluation of cryogenic performance of adhesives using composite aluminum double-lap joints, Compos. Struct. 2007, 78, 440-446.
• [6] Seong M., Kim T., Nguyen K., Kweon J., Choi J., A parametric study on the failure of bonded singlelap joints of carbon composite and aluminum, Compos. Struct. 2008, 86, 135-145.
• [7] Giannis S., Hansen K., Investigation on the Joining of CFRP-to-CFRP and CFRP-to-Aluminium for a Small Aircraft Structural Application, 25th Technical Conference of the American Society for Composites and 14th US-Japan Conference on Composite Materials (Dayton, Ohio, USA, 2010).
• [8] Adams R.D., Mallick V., The effect of temperature on the strength of adhesively-bonded composite-aluminium joints, J. Adhes. 1993, 43, 17-33.
• [9] Narasimhan S., Shenoi R.A., Jeong H.K., Three-dimensional stresses in adhesively bonded lap joints with non-identical adherends, Proc. Inst. Mech. Eng. Part L J. Mater. Des. Appl. 2004, 218, 283-298.
• [10] Hua Y., Gu L., Trogdon M., Three-dimensional modeling of carbon/epoxy to titanium single-lap joints with variable adhesive recess length, Int. J. Adhes. Adhes. 2012, 38, 25-30.
• [11] Zielecki W., Kubit A., Trzepieciński T., Narkiewicz U., Czech Z., Impact of multiwall carbon nanotubes on the fatigue strength of adhesive joints, Int. J. Adhes. Adhes. 2017, 73, 16-21.
• [12] Zielecki W., Kubit A., Kluz R., Trzepieciński T., Investigating the influence of the chamfer and fillet on the high-cyclic fatigue strength of adhesive joints of steel parts, J. Adhes. Sci. Techn. 2016, 31, 627-644.
• [13] da Silva L.F.M., Adams R.D. Stress-free temperature in a mixed-adhesive joint, J. Adhes. Sci. Technol. 2006, 20, 1705-1726.
• [14] da Silva L.F., Adams R., Techniques to reduce the peel stresses in adhesive joints with composites, Int. J. Adhes. Adhes. 2007, 27, 216-226.
• [15] Sinmazcelik T., Avcu E., Ozgur Bora M., Coban O., A review: Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods, Materials and Design 2011, 32, 3671-3685.
• [16] Lee B.E., Park E.T., Kim J., Kang B.S., Song W.J., Analytical evaluation on uniaxial tensile deformation behavior of fiber metal laminate based on SRPP and its experimental confirmation, Compos., Part B 2014, 67, 154-159.

Uwagi

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