Wytwarzanie i analiza strukturalna laminatów tytan-kompozyt wzmacniany włóknami węglowymi oraz szklanymi

• Autorzy: Bieniaś J. , Surowska B. , Ostapiuk M.

Warianty tytułu

EN

Manufacture and structural analysis of titanium-carbon and glass fibers reinforced composite laminates

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Laminaty metalowo-włókniste (FML) to innowacyjne materiały zaprojektowane na elementy poszycia samolotów, ale o potencjalnych możliwościach zastosowania w innych obszarach techniki. Podstawowym w tej grupie materiałów jest laminat stop aluminium/kompozyt epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym. Praca dotyczy mniej zbadanego układu tytan/kompozyt epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym oraz włóknem węglowym. Laminaty zostały wytworzone techniką autoklawową w warunkach laboratorium uczelnianego. Jako komponentów użyto blachę tytanową gat. Grade 2, prepreg epoksydowy zbrojony włóknem szklanym typu R oraz prepreg epoksydowy o podwyższonej wytrzymałości zbrojony włóknem węglowym T700GC. Dobrane komponenty spełniają wymagania stawiane materiałom stosowanym w przemyśle lotniczym. Opracowano sposób przygotowania powierzchni blachy tytanowej, ułożenia warstw prepregu oraz dobrano parametry technologiczne. Zastosowano utlenianie anodowe tytanu bez uszczelniania warstwy oraz dodatkową warstwę gruntu. Orientację włókien (tab. 2) dobrano, uwzględniając prognozowane właściwości oraz weryfikację eksperymentalną modeli numerycznych. Celem badań była charakterystyka struktury kompozytów po procesie polimeryzacji oraz ocena ciągłości połączenia metal-kompozyt. Wykonano obserwacje mikroskopowe z zastosowaniem mikroskopii świetlnej. W badanej partii materiału uzyskano wysoką jakość połączenia, bez delaminacji i porów na granicy metal-kompozyt (rys. 4÷8). W kompozycie zbrojonym włóknem szklanym zaobserwowano lokalne nierównomierne rozmieszczenie włókien (rys. 4b). Cechą charakterystyczną laminatów wytwarzanych w autoklawie jest obecność cienkiej warstwy polimeru na granicy z metalem, pozbawionej włókien, przy czym warstwa ta jest grubsza dla kompozytów zbrojonych włóknem węglowym (rys. 5b, c, 7b, c). Taka morfologia powinna korzystnie wpływać na adhezję metalu do kompozytu. Uzyskane wyniki świadczą o prawidłowo dobranych parametrach wytwarzania laminatów z zastosowaniem autoklawu.

EN

Fibre-metal laminates (FML) are innovative materials designed for aircraft structures but potentially it is possible to use them in other engineering applications. The basic FML consists of alternate thin layers of an aluminium alloy and glass fiber reinforced polymer matrix composite. In this paper, modern hybrid materials, titanium/epoxy composites reinforced with glass and carbon fibers are investigated. The laminates were produced by the autoclave method in the university laboratory. Titanium sheet cp-Ti grade 2, glass fiber type R reinforced epoxy prepreg and epoxy prepreg reinforced with carbon fiber T700GC were used as the components. These components meet the requirements of aerospace materials standards. The method of surface treatment of the titanium sheet and the prepregs lay up were draw up and the technological parameters were selected as well as. The anodic oxidation of titanium without sealing or synthetic primer were used. The fibers orientation (Tab. 2) was selected to obtain the desired properties and perform experimental verification of numerical modelling results. The aim of the study was to determine the quality of the composite structure after curing and the continuity of the metal-composite joint. Microscopic microstructural observations were carried out. The high quality connection without delamination and pores on the metal-composite boundary in the inspection lot was obtained (Fig. 4÷8). The local uneven distribution of glass fibers was observed (Fig. 4b). The presence of a thin layer of epoxy resin without fibers on the metal-composite boundary is distinguished in laminates produced by the autoclave method. This layer in the carbon prepreg is thicker than in the glass one (Fig. 5b, c, 7b, c). Such morphology should have a positive effect on the metal-composite adhesion. The results prove the correct technological parameters applied for FML laminates manufactured in an autoclave.

Słowa kluczowe

PL

laminat metalowo-włóknisty; tytan; kompozyt epoksydowy; metoda autoklawowa

EN

FML; titanium; epoxy composites; autoclave method

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 3
• Strony: 210--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

autor

Surowska B.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

autor

Ostapiuk M.

• Katedra Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

Bibliografia

• [1] Sinke J.: Manufacturing of GLARE parts and structures. Applied Composite Materials 10 (2003) 293÷305.
• [2] Vogelesang L. B., Vlot A.: Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures. Journal of Materials Processing Technology 103 (2000) 1÷5.
• [3] Alderliesten R. C., Hagenbeek M., Homan J. J., Hooijmeijer P. A., De Vries T. J., Vermeeren C. A. Jr.: Fatigue and damage tolerance of glare. Applied Composite Materials 10 (2003) 223÷242.
• [4] Hinz S., Omoori T., Hojo M., Schulte K.: Damage characterisation of fibre metal laminates under interlaminar shear load. Composites: Part A 40 (2009) 925÷931
• [5] Sugiman S., Crocombe A. D., Katnam K. B.: Investigating the static response of hybrid fibre-metal laminate doublers loaded in tension. Composites: Part B 42 (2011) 1867÷1884.
• [6] Khan S. U., Alderliesten R. C., Benedictus R.: Delamination growth in Fibre Metal Laminates under variable amplitude loading. Composites Science and Technology 69 (2009) 2604÷2615.
• [7] Frizzell R. M., McCarthy C. T., McCarthy M. A.: Simulating damage and delamination in fibre metal laminate joints using a three-dimensional damage model with cohesive elements and damage regularisation. Composites Science and Technology 71 (2011) 1225÷1235.
• [8] Fan J., Guan Z.bW., Cantwell W. J.: Numerical modelling of perforation failure in fibre metal laminates subjected to low velocity impact loading. Composite Structures 93 (2011) 2430÷2436.
• [9] Hinz S., Jones F. R., Schulte K.: Micromechanical modelling of shear deformation of a 90°-ply in Glare® at elevated temperatures. Computational Materials Science 39 (2007) 142÷148.
• [10] Xue J., Wangb W.-X., Takao Y., Matsubara T.: Reduction of thermal residual stress in carbon fiber aluminum laminates using a thermal expansion clamp. Composites: Part A 42 (2011) 986÷992.
• [11] 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. 26 (4) (2010) 327÷332.
• [12] Khalili S. M. R., Mittal R. K., Gharibi Kalibar S.: A study of the mechanical properties of steel/aluminium/GRP laminates. Materials Science and Eng. A 412 (2005) 137÷140.
• [13] Alderliesten R., Rans C., Benedictu R.: The applicability of magnesium based Fibre Metal Laminates in aerospace structures. Composites Science and Technology 68 (2008) 2983÷2993.
• [14] Cortes P., Cantwell W. J.: The fracture properties of a fibre-metal laminate based on magnesium alloy. Composites: Part B 37 (2006) 163÷170.
• [15] Molitor P., Barron V., Young T.: Surface treatment of titanium for adhesive bonding to polymer composites: a review. International Journal of Adhesion & Adhesives 21 (2001) 129÷136.
• [16] Molitor P., Young T.: Adhesives bonding of a titanium alloy to a glass fibre reinforced composite material. International Journal of Adhesion & Adhesives 22 (2002) 101÷107.
• [17] Rhymer D. W., Johnson W. S.: Fatigue damage mechanisms in advanced hybrid titanium composite laminates. International Journal of Fatigue 24 (9) (2002) 995÷1001
• [18] Cortes P., Cantwell W. J.: The prediction of tensile failure in titaniumbased thermoplastic fibre-metal laminates. Composites Science and Technology 66 (13) (2006) 2306÷2316.
• [19] Kolesnikov B., Herbeck L., Fink A.: CFRP/titanium hybrid material for improving composite bolted joints. Composite Structures 83 (2008) 368÷380.
• [20] Yamaguchi T., Okabe T., Yashiro S.: Fatigue simulation for titanium/CFRP hybrid laminates using cohesive elements. Composites Science and Technology 69 (2009) 1968÷1973.
• [21] Franco L. A. L., Grac M. L. A., Silva F. S.: Fractography analysis and fatigue of thermoplastic composite laminates at different environmental conditions. Materials Science and Engineering A 488 (2008) 505÷513.
• [22] Koyanagi J., Yoneyama S., Nemoto A., Daniel J., Melo D.: Time and temperature dependence of carbon/epoxy interface strength. Composites Science and Technology 70 (2010) 1395÷1400.
• [23] Wang S.-X., Wu L.-Z., Ma L.: Low-velocity impact and residual tensile strength analysis to carbon fiber composite laminates. Materials and Design 31 (2010) 118÷125.
• [24] Villanueva R. G., Cantwell W. J.: The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures. Composites Science and Technology 64 (1) (2004) 35÷54.
• [25] Abdullah M. R., Cantwell W. J.: The impact resistance of polypropylenebased fibre-metal laminates. Composites Science and Technology 66 (11-12) (2006) 1682÷1693.
• [26] Sinke J.: Some inspection methods for quality control and in-service inspection of GLARE. Applied Composite Materials 10 (2003) 277÷291.
• [27] Sinmazcelik T., Avcu E., Bora M. O., Coban O.: A review: Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods. Materials and Design 32 (2011) 3671÷3685.
• [28] Surowska B.: Metody przygotowania powierzchni stopu tytanu w laminatach metal-kompozyt włóknisty. Inżynieria Materiałowa 5 (2009) 404÷407.
• [29] Bieniaś J., Rudawska A.: Analiza powierzchni metalu w laminatach metalowo- włóknistych. Inżynieria Materiałowa 4 (2011) 337÷340.
• [30] Dębski H., Bieniaś J.: Analiza zniszczenia mikrostruktury kompozytów węglowo/epoksydowych z wykorzystaniem MES. VI Międzynarodowe Sympozjum Mechaniki Materiałów i Konstrukcji Augustów, 30 maja – 2 czerwca (2011) 96÷100.
• [31] Dębski H., Bieniaś J.: Finite numerical analysis of composite structure under complex loading conditions – optimal ply design of laminate. Journal of KONES Powertrain and Transport 17 (1) (2010) 111÷115.
• [32] Katalog firmy Hexcel, www.hexcel.com.
• [33] Surowska B., Bieniaś J.: Wytwarzanie wielowarstwowych struktur kompozytowych metodą autoklawową. Kompozyty 10 (2) (2010) 121÷126.
• [34] Bieniaś J.: Fibre metal laminates – some aspects of manufacturing process, structure and selected properties. Kompozyty (Composites) 11 (1) (2011) 39÷43.