Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Modelling fatigue with self-heating of polymeric composites baesd on statistical analysis of temperature profiles

Wachla D., Katunin A.

Composites Theory and Practice

|

2018

|

R. 18, nr 4

202--209

EN

The self-heating effect occurring during the fatigue loading of polymeric composite structures subjected to cyclic loading or vibration is a result of energy dissipation appearing due to the viscoelastic properties of the matrix of such composites. The occurrence of the self-heating effect during the operation of structural elements is very dangerous, since the increasing selfheating temperature intensifies the initiation and propagation of fatigue damage, and may significantly shorten the residual life of such elements. Following this, it is necessary to control this process. The theoretical models developed to date may be inaccurate in predicting the residual life of a structure subjected to fatigue with the appearance of self-heating, especially after the initiation of structural damage. Therefore, the authors proposed the empirical model based on estimating the parameters from the self-heating temperature profiles with statistical analysis of these parameters, which allows one to determine the estimators and predict the residual life of composite structures working in such conditions in more accurate way.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający podczas obciążeń zmęczeniowych struktur wykonanych z kompozytów polimerowych poddanych cyklicznemu obciążaniu lub drganiom, jest wynikiem dyssypacji energii, inicjowanej ze względu na lepkosprężyste właściwości osnowy tych kompozytów. Powstawanie efektu samorozgrzania podczas eksploatacji elementów strukturalnych jest bardzo niebezpieczne, gdyż wzrost temperatury samorozgrzania intensyfikuje inicjację i propagację uszkodzeń zmęczeniowych i może znacząco obniżyć trwałość resztkową tych elementów. Mając to na uwadze, należy kontrolować ten proces. Dotychczas opracowane modele teoretyczne mogą być niedokładne w predykcji trwałości resztkowej struktury poddanej zmęczeniu z występującym samorozgrzaniem, zwłaszcza po inicjacji uszkodzeń strukturalnych. Dlatego autorzy zaproponowali model empiryczny oparty na estymacji parametrów na podstawie profili temperaturowych samorozgrzania z analizą statystyczną tych parametrów, co pozwala wyznaczyć estymatory i przewidywać trwałość resztkową struktur kompozytowych pracujących w takich warunkach z większą dokładnością.

2

Fatigue of polymeric composites during stationary and non-stationary self-heating

Katunin A.

Composites Theory and Practice

|

2018

|

R. 18, nr 1

19--24

EN

The self-heating effect occurring during the cyclic loading of materials that exhibit thermoviscoelastic properties, depending on the loading conditions, may develop according to two possible scenarios: stationary and non-stationary. Since stationary self-heating has not been not previously studied in terms of the criticality of the self-heating effect, it is essential to perform such a study to better understand the degradation processes in this scenario and to confront the results with the criticality of non-stationary self-heating. In the present study, the experimental results on fatigue testing following the stationary self-heating scenario are presented and discussed. In order to characterize the degradation process, both self-heating temperature distributions and their evolution as well as acoustic emission measured at various self-heating temperature ranges were analyzed. The obtained results allow the influence of the self-heating effect on the residual life of composite structures under the stationary self-heating scenario to be estimated.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający podczas cyklicznych obciążeń materiałów, wykazujących właściwości termolepkosprężyste, w zależności od warunków obciążenia, może rozwinąć się według dwóch możliwych scenariuszy: ustalonego i nieustalonego. Ze względu na to, że samorozgrzanie ustalone nie było wcześniej badane pod względem krytyczności efektu samorozgrzania, istotne jest przeprowadzenie takich badań w celu lepszego zrozumienia procesów degradacji przy takim scenariuszu i skonfrontowania wyników z krytycznością dla nieustalonego samorozgrzania. W niniejszej pracy zostały przeanalizowane i opisane wyniki dotyczące badań eksperymentalnych zmęczenia według scenariusza ustalonego samorozgrzania. W celu scharakteryzowania procesu degradacji przeanalizowano zarówno rozkłady temperatury samorozgrzania i ich zmienność, jak i emisji akustycznej zmierzonej dla różnych zakresów temperatury samorozgrzania. Otrzymane wyniki pozwoliły na oszacowanie wpływu efektu samorozgrzania na trwałość resztkową struktur kompozytowych podczas występowania scenariusza ustalonego samorozgrzania.

3

Variable surface temperature distribution as a criticality indicator of the self-heating effect in composites

Katunin A.

Advances in Materials Science

|

2018

|

Vol. 18, nr 1(55)

5--12

EN

Since self-heating effect may significantly intensify structural degradation, it is essential to investigate its criticality, i.e. the temperature value at which fatigue fracture is initiated. In this paper, a new and sensitive criticality indicator based on evaluation of evolution of surface temperature distribution was proposed and experimentally validated. It was shown that comparing to other measurement techniques the presented approach allows for precise evaluation of the critical value of the self-heating temperature. The properly determined critical value may be helpful both during design and operation of elements made of polymers and polymeric composite.

4

Phenomenological analysis of selfheating effect in glass and carbon fabric reinforced polymeric composites

Katunin A.

Modelowanie Inżynierskie

|

2017

|

T. 31, nr 62

43--48

EN

The self-heating effect occurring in polymeric composites during cyclic loading or vibrations is a dangerous phenomenon which affects intensification of mechanical degradation processes and shortening of structural residual life. During this process, heat is generated due to hysteretic behavior of a polymeric matrix, and the growing surface temperature may initiate the most dangerous mode of self-heating effect – the non-stationary one. During non-stationary self-heating the heating-up process dominates mechanical degradation and causes its significant intensification and sudden failure. Besides the loading conditions, several other factors influence on the self-heating process. In this paper, the influence of reinforcing material as well as its content in the composite is analyzed in the light of self-heating effect. The results of the performed experimental studies show that these material properties have a great impact on intensity of self-heating effect. This observation allows for better understanding the mechanics of structural degradation of fabric-reinforced composites subjected to cyclic loading with self-heating effect occurrence. The obtained results might be helpful in development of new industrial composites, which will be characterized by high thermal conductivity and effectively release generated heat to the environment, increasing the operational safety of composite elements working in mentioned loading conditions.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający w kompozytach polimerowych podczas obciążeń cyklicznych lub drgań, jest niebezpiecznym zjawiskiem, które powoduje intensyfikację procesów mechanicznej degradacji oraz skrócenie żywotności struktur. Podczas tego procesu ciepło jest generowane wskutek histerezowego zachowania osnowy polimerowej, a wzrastająca temperatura na powierzchni może inicjować najbardziej niebezpieczną postać efektu samorozgrzania – niestacjonarną. Podczas samorozgrzania niestacjonarnego proces nagrzewania się staje się dominujący w stosunku do degradacji mechanicznej i powoduje jego znaczną intensyfikację oraz szybkie zniszczenie. Oprócz warunków obciążenia, niektóre inne czynniki wpływają na proces samorozgrzania. W niniejszym artykule wpływ materiału wzmocnienia oraz jego zawartości w kompozycie został przeanalizowany w świetle efektu samorozgrzania. Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych wskazują na znaczący wpływ właściwości materiałów umocnienia na intensywność efektu samorozgrzania. Taka obserwacja pozwala na lepsze zrozumienie mechaniki degradacji strukturalnej kompozytów wzmacnianych tkaninami poddanych obciążeniom cyklicznym z występowaniem efektu samorozgrzania. Otrzymane wyniki mogą być pomocne przy opracowaniu nowych kompozytów konstrukcyjnych, które będą charakteryzować się wysoką przewodnością cieplną i skutecznie odprowadzać generowane ciepło do środowiska, zwiększając bezpieczeństwo użytkowania elementów kompozytowych pracujących w wymienionych warunkach obciążeń.

5

Detection of damage initiation in composite structures subjected to self-heating based on acoustic emission

Wronkowicz A., Katunin A.

Modelowanie Inżynierskie

|

2017

|

T. 33, nr 64

114--119

EN

Structural integrity is one of the crucial properties of designed composite elements. However, during their operation they are subjected to various types of loading, and thus, subjected to degradation. Intensity of their degradation is driven by many factors with different degree of influence. One of such degradation mechanisms occurs during cyclic loading, when heat is released on the surface of a polymeric composite structures due to the mechanical energy dissipation, which has a great influence on degradation acceleration. The paper deals with determination of a criticality of the self-heating effect, i.e. temperature value at which damage initiation occurs during cyclic loading of composite structures. For this purpose, polymeric composite specimens were subjected to fatigue tests and resulting surface temperature and acoustic emission were measured and analyzed. The obtained results indicated that analysis of acoustic emission features enables returning information about the two critical moments of the degradation process. From a linear peak amplitude one can assess a critical moment between the two first phases of the three-phase degradation model, when propagation of micro-cracks and initiation of a macrocrack occurs. Analysis of the amplitude, together with the energy ratio and the total energy of hit-cascade, can also accurately indicate a moment of transition from the second to the third phase, when a macro-crack propagates rapidly, which finally results in a failure of the structure.

PL

Integralność strukturalna jest jedną z kluczowych właściwości projektowanych elementów kompozytowych. Jednak podczas eksploatacji są one narażone na różnego rodzaju obciążenia i dlatego ulegają degradacji. Intensywność ich degradacji jest uwarunkowana przez wiele czynników z różnym poziomem istotności. Jeden z takich mechanizmów degradacji występuje podczas obciążenia cyklicznego, gdy ciepło jest uwalniane na powierzchni polimerowej struktury kompozytowej ze względu na dyssypację energii mechanicznej, co ma istotny wpływ na przyspieszenie degradacji. W artykule omówiony został proces określenia krytyczności efektu samorozgrzania, tj. wartości temperatury przy której następuje inicjacja uszkodzeń w strukturach kompozytowych. W tym celu próbki wykonane z kompozytu polimerowego zostały poddane badaniom zmęczeniowym oraz ich wynikowa temperatura powierzchni oraz emisja akustyczna została zmierzona i przeanalizowana. Otrzymane wyniki wykazały, że cechy uzyskane w oparciu o emisję akustyczną pozwalają na pozyskanie informacji o dwóch krytycznych momentach procesu degradacji. Na podstawie liniowej amplitudy szczytowej można określić krytyczny moment pomiędzy dwiema pierwszymi fazami w trójfazowym modelu degradacji, gdy następuje propagacja mikropęknięć i inicjacja makropęknięcia. Analiza amplitudy razem z wartościami energii oraz całkowitą energią kaskady impulsów pozawala także dokładnie wskazać moment przejścia z drugiej do trzeciej fazy, gdzie makropęknięcie szybko propaguje, co ostatecznie doprowadza do zniszczenia struktury.

6

Evaluation of critical self-heating temperature of composite structures based on analysis of microcrack development

Katunin A., Wronkowicz A., Bilewicz M.

Composites Theory and Practice

|

2017

|

R. 17, nr 1

9--13

EN

The self-heating effect occurring during the cyclic loading of polymers and polymeric composites may initiate accelerated thermally induced fatigue processes, which causes a rapid increase in the self-heating temperature at a location of stress concentration and, as a consequence, sudden structural degradation. Therefore, it is essential to investigate this process and determine the criticality of the self-heating effect, i.e. the critical value of temperature which initiates accelerated degradation processes. In this paper, an aspect of microcrack formation and development was considered as an indicator which reflects the degradation degree of a structure. Microscopic observation of microcrack development at progressive temperature values was chosen due to its high sensitivity to the initiation of fracture processes among applied measurement techniques to evaluate structural degradation during fatigue tests. Appropriate image processing techniques as well as quantitative measures to describe microcrack development enable evaluation of the criticality of the self-heating effect using this approach and comparison of the obtained results with those obtained by other measurement techniques. The specified critical value of self-heating temperature allows determination of a safe temperature range for heavily loaded structures made of polymeric composites, which can be helpful both during the design stage as well as at the operating stage of composite structures.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający podczas cyklicznych obciążeń polimerów i kompozytów polimerowych, może zainicjować przyspieszone indukowane termicznie procesy zmęczeniowe, co powoduje szybki wzrost temperatury samorozgrzania w miejscu koncentracji naprężeń i w konsekwencji nagłą degradację strukturalną. Dlatego istotne jest zbadanie tego procesu i określenie krytyczności efektu samorozgrzania, tj. krytycznej wartości temperatury, która inicjuje przyspieszone procesy degradacji. W artykule aspekt formowania i rozwoju mikropęknięć uwzględniono jako czynnik, który odzwierciedla stopień degradacji struktury. Obserwacja mikroskopowa rozwoju mikropęknięć przy narastających wartościach temperatury została wybrana dzięki wysokiej wrażliwości na inicjację procesów zniszczenia spośród technik pomiarowych stosowanych do oceny degradacji strukturalnej podczas testów zmęczeniowych. Odpowiednie techniki przetwarzania obrazów oraz miary ilościowe do opisu rozwoju mikropęknięć pozwoliły na ocenę krytyczności efektu samorozgrzania, wykorzystując takie podejście, oraz na porównanie otrzymanych wyników z wynikami uzyskanymi z wykorzystaniem innych technik pomiarowych. Wyznaczona wartość krytyczna temperatury samorozgrzania pozwoliła na określenie bezpiecznego przedziału temperaturowego dla silnie obciążanych struktur wykonanych z kompozytów polimerowych, co może być pomocne zarówno na etapie projektowania, jak i podczas eksploatacji struktur kompozytowych.

7

Criticality of self-heating in degradation processes of polymeric composites subjected to cyclic loading: A multiphysical approach

Katunin A., Wronkowicz A., Bilewicz M., Wachla D.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2017

|

Vol. 17, no. 4

806--815

EN

In this paper, the criticality of the self-heating effect accompanying the fatigue process of polymeric composites is studied by monitoring various physical parameters, which reflects degradation progress in a direct or indirect way. The occurring self-heating effect, resulted from the mechanical energy dissipation due to the viscoelastic nature of a polymeric matrix of composites, under certain loading conditions, may dominate the fatigue process, causing significant intensification of degradation and thermal failure at temperature often higher than the glass-transition temperature. The aim of this study is to determine the critical values of the self-heating temperature, which exceeding results in damage initiation and, in consequence, intensive degradation and failure. Additionally, performed tests enable evaluation of sensitivity of particular techniques as well as obtaining more accurate results with physical justification. Following the obtained results, the critical value of a self-heating temperature, at which domination of the fatigue process by the self-heating effect is observed, is at a level of 65–70 °C. Information about the obtained critical values has a great importance both during the design stage of composite structures subjected to cyclic loading as well as their further operation.

8

Influence of a Shape of Excitation Signal on the Character of Temperature Growth During Thermal Fatigue of Polymeric Composites

Katunin A., Wronkowicz A., Wachla D.

Machine Dynamics Research

|

2016

|

Vol. 40, No. 3

5--14

EN

The paper presents results of theoretical investigation on the character of energy dissipation in composite structures subjected to cyclic loading with various shapes of excitation signals. Such loading implies the occurrence of the self-heating effect due to the hysteresis, occurred from viscoelasticity of a polymer. Results of theoretical analysis show the differences between investigated cases, namely sine, square, triangle and sawtooth excitation signals, and their influence on the intensification of structural degradation of polymeric composites. The theoretical results were verified experimentally on the laboratory stand.

9

Stress concentration at the circular hole of cyclically bent layered composite plate within the framework of a moment theory of thermoviscoelasticity

Katunin A.

Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics

|

2014

|

Vol. 13, nr 3

75--83

EN

In the continuum mechanics there is a class of problems that cannot be solved directly or the solutions of these problems are affected by large errors when the classical equations of thermoviscoelasticity are considered. The paper discusses a special case of such problems - the cyclic bending of a composite plate with a circular hole subjected to the stationary self-heating, which was solved within the framework of a moment theory of thermoviscoelasticity.

10

Ocena sieciowania resztkowego wywołanego efektem samorozgrzania we włóknistych kompozytach epoksydowych z wykorzystaniem spektroskopii Ramana

Katunin A., Krukiewicz K., Turczyn R.

Chemik

|

2014

|

Vol. 68, nr 11

957--966

PL

Mechaniczne obciążenia cykliczne struktur polimerowych wywołuje procesy dyssypacji energii mechanicznej, które prowadzą do powstania efektu samorozgrzania, tj. lokalnego wzrostu temperatury, odpowiadającemu gradientowi naprężeń. W szczególnych przypadkach obciążania zmęczeniowego, efekt samorozgrzania staje się procesem dominującym i nasila degradację strukturalną. Wcześniejsze badania w tym zakresie wykazują, że efekt samorozgrzania związany jest z sieciowaniem resztkowym grup epoksydowych (EP) w kompozytach włóknistych. Celem prezentowanych badań jest ocena stopnia sieciowania resztkowego oparta na analizie widm Ramana, profili temperaturowych oraz charakterystycznych temperatur w kompozytach poddawanych obciążeniom zmęczeniowym z występowaniem efektu samorozgrzania. Analizie poddano charakterystyczne pasma w widmach Ramana, a także charakterystyczne krzywe temperaturowe i ich zależność od częstotliwości wymuszenia. Uzyskane wyniki pozwalają na charakterystykę mechanizmów degradacji włóknistych kompozytów epoksydowych poddawanych zmęczeniu cieplnemu.

EN

Mechanical cyclic loading of polymeric structures causes dissipation processes, which introduce the self-heating effect, i.e. the local temperature increase equivalent to the stress gradient. In some specific cases of fatigue loading the self-heating effect dominates the process and intensifies the structural degradation. Previous studies in this area show that the heating-up is connected with residual cross-linking of epoxy groups (EP) in the fibrous composites. The purpose of the presented study is an evaluation of degree of residual cross-linking and an analysis of Raman spectra with temperature profiles and characteristic temperatures of EP-based fibrous composites subjected to the fatigue loading with occurrence of the self-heating effect. The characteristic bands in Raman spectra as well as characteristic temperature history curves and their dependence on the excitation frequency were investigated. Obtained results allow for the characterization of degradation mechanisms of EPbased fibrous composites under thermal fatigue.

11

Method of detection of damages in polymeric composites by using thermovision and self-heating effect

Katunin A., Moczulski W.

Przegląd Mechaniczny

|

2013

|

nr 5

32--34

EN

Wide application of polymeric composites in modern yacht building requires the development of diagnostic and monitoring methods, which should be efficient, non-destructive and simple in application. The method proposed by the authors is based on observing the heat generated due to the self-heating effect, which is caused by a viscoelastic nature of a polymeric matrix of a composite. The usage of the self-heating effect in diagnostics of polymeric composite structures eliminates the need to apply an impulse heat source for thermal excitation, which is used during the classic infrared diagnostics of such structures. The proposed method is dedicated mostly for fatigue damage detection and location for damages occurring in the areas of stress concentration. The results of an experimental study of damage detection in glass/epoxy composites using the mentioned method were presented and discussed.

PL

Szerokie zastosowanie kompozytów polimerowych w budowie jachtów wymaga rozwoju metod diagnostyki i monitoringu, które powinny być efektywne, nieniszczące oraz proste w zastosowaniu. Metoda zaproponowana przez autorów jest oparta na obserwacji ciepła powstającego w wyniku występowania efektu samorozgrzania spowodowanego naturą lepko-sprężystą matrycy polimerowej kompozytu. Zastosowanie efektu samorozgrzania w diagnostyce kompozytów polimerowych pozwala wyeliminować użycie impulsowego źródła ciepła dla wymuszenia cieplnego, które jest wykorzystywane przy klasycznej diagnostyce termowizyjnej takich struktur. Zaproponowana metoda jest przeznaczona przede wszystkim do detekcji i lokalizacji uszkodzeń zmęczeniowych oraz do uszkodzeń powstających w polach koncentracji naprężeń. W pracy przedstawiono i omówiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczących detekcji uszkodzeń w epoksydowo-szklanych kompozytach z wykorzystaniem wymienionej metody.

12

Finite element simulation of self - heating effect and thermal fatigue of viscoelastic polymer composites

Katunin A.

Computer Methods in Materials Science

|

2012

|

Vol. 12, No. 4

244--249

EN

The self-heating effect, occurred in the viscoelastic media due to the mechanical energy dissipation during cyclic loading of a structure and its transformation into heat, is one of crucial problems of operation of elements made of polymeric composites. In some special cases of loading parameters the self-heating effect could dominate fatigue process, which results in intensification of structural degradation. The paper deals with finite element formulation of the self-heating effect and thermal fatigue of polymer composites. The definition of material properties was based on experimentally determined dynamic moduli of the material, which were converted to Prony series for implementation in the computational algorithm realized in commercial finite element software. Implementation procedure of the numerical simulation and exemplary results were presented. Obtained numerical results were compared with experimental results and reveal good convergence.

PL

Efekt samorozgrzania, występujący w ośrodkach lepkosprężystych ze względu na dyssypację energii mechanicznej podczas obciążeń cyklicznych struktury i jej przemiany w ciepło, jest podstawowym problemem eksploatacji elementów wykonanych z kompozytów polimerowych. W niektórych szczególnych przypadkach parametrów obciążenia efekt samorozgrzania może zdominować proces zmęczenia, co będzie skutkowało intensyfikacją degradacji strukturalnej. Artykuł przedstawia sformułowanie modelu numerycznego efektu samorozgrzania i zmęczenia cieplnego kompozytów polimerowych. Definiowanie właściwości materiałowych jest oparte na modułach dynamicznych materiału wyznaczonych eksperymentalnie, które przekształcono do postaci szeregów Prony'ego w celu ich implementacji w algorytmie obliczeniowym realizowanym w komercyjnym środowisku opartym o metodę elementów skończonych. Przedstawiono procedurę implementacji oraz przykładowe wyniki. Otrzymane wyniki numeryczne porównano z wynikami eksperymentalnymi, wyniki cechują się dobrą zbieżnością.

13

Critical self-heating temperature during fatigue of polymeric composites under cyclic loading

Katunin A.

Composites Theory and Practice

|

2012

|

R. 12, nr 1

72-76

EN

This paper deals with the results of an experimental study of the occurrence of the self-heating effect during cyclic fatigue loading of plates made of polymeric composites. The evolution of self-heating temperature distributions was registered by infrared camera from the beginning of loading till the breakdown of the specimens. During the experiments it was observed that the process of thermal fatigue of the composite elements could be divided to three phases. It was observed, that on the transition border of the second and third phases of thermal fatigue, a crack initiates, which is caused both by increasing the self-heating temperature and mechanical fatigue. This moment corresponds w to the value of self-heating temperature, which is critical for given loading parameters. The critical self-heating temperature is strongly dependent on the excitation frequency, which results from the tim-temperature superposition principle. The influence of the excitation frequency and length of the specimens on the value of critical self-heating temperature was investigated. Based on experimental data, the empirical model of thermal fatigue, which uses the master curve of dynamic storage modulus, was proposed. The obtained experimental results and proposed fatigue model could be used in operation and structural health monitoring problems for the prediction of critical loading parameters of elements made of polymeric composites.

PL

Artykuł przedstawia wyniki prac eksperymentalnych dotyczących obecności efektu samorozgrzania podczas cyklicznych obciążeń zmęczeniowych płyt wykonanych z kompozytów polimerowych. Zmienność rozkładów temperatury samorozgrzania była rejestrowana kamerą termowizyjną od początku obciążenia do zniszczenia próbek. Podczas eksperymentów zaobserwowano, że proces zmęczenia cieplnego kompozytów polimerowych może być podzielony na trzy fazy. Zaobserwowano, że na granicy drugiej i trzeciej fazy zmęczenia cieplnego inicjuje się pęknięcie, co jest spowodowane zarówno wzrostem temperatury samorozgrzania, jak i zmęczeniem mechanicznym. Ten moment odpowiada wartości temperatury samorozgrzania, która jest krytyczną dla danych parametrów obciążenia. Krytyczna temperaturura samorozgrzania wykazuje silną zależność od częstotliwości wymuszenia, co wynika z zasady superpozycji czasowo-temperaturowej. Zbadano wpływ częstotliwości wymuszenia i długości próbek na wartość krytycznej temperatury samorozgrzania. Na podstawie wyników eksperymentalnych zaproponowano model empiryczny zmęczenia cieplnego wykorzystujący krzywe wiodące dynamicznego modułu zachowawczego. Otrzymane wyniki eksperymentalne i zaproponowany model zmęczenia mogą być wykorzystane w zagadnieniach eksploatacji i monitoringu elementów wykonanych z kompozytów polimerowych w celu predykcji krytycznych parametrów obciążenia.

14

Analiza fizykochemiczna samorozgrzania kompozytów epoksydowo-szklanych utwardzanych nowolakiem

Katunin A., Krukiewicz K.

Chemik

|

2012

|

Vol. 66, nr 12

1326--1331

PL

Z uwagi na interdyscyplinarność rozpatrywanego zjawiska samorozgrzania, dla zrozumienia mechanizmów zmian strukturalnych w kompozytach poddawanych cyklicznym obciążeniom, konieczna jest analiza zachodzących procesów, zarówno z mechanicznego jak i chemicznego punktu widzenia. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych degradacji strukturalnej kompozytów polimerowych podczas występowania efektu samorozgrzania i zmęczenia cieplnego. Omówiono m.in. zmiany strukturalne w polimerze podczas występowania efektu samorozgrzania, jego połączenie z mechanicznymi właściwościami dynamicznymi i prawami kinetycznymi oraz zachowanie polimeru przy osiągnięciu temperatury zeszklenia. W szczególności przeanalizowano proces sieciowania resztkowego występującego przy samorozgrzaniu, przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz interpretację zjawiska pod względem zachodzących reakcji chemicznych mających wpływ na ten proces.

EN

Following the interdisciplinary of the investigated phenomenon of self-heating it is necessary to analyze the processes of structural modifications occurring in composites subjected to cyclic loading both from mechanical and chemical point of view for better understanding its degradation mechanisms. The paper presents experimental research results and analysis of structural degradation of polymer composites during occurrence of self-heating effect and thermal fatigue. Some characteristic aspects of the process were analyzed and discussed, i.e. structural changes in the polymer during occurrence of the selfheating effect, its connection with dynamic mechanical properties and thermokinetic laws and behaviour of the polymer when the glasstransition temperature is reached. Particularly, the process of residual cross-linking occurred during self-heating was analyzed; the results of experimental test were presented and interpreted following the chemical reactions, which occurred and have an influence on this process.

15

Influence of series resistance on thermally induced limitations of SiC Schottky diodes

Janke W., Hapka A.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2011

|

Vol. 52, nr 2

163-165

EN

The calculations and measurement results of static DC characteristics of SiC Schottky barrier diodes, including self-heating effect are presented in this paper. In particular, the influence of the value of parasitic series resistance of a diode on the shape of its non-isothermal I-V curves is analyzed. The electro-thermal interactions in a diode working in high-current region may lead to the thermal runaway, therefore the serious limitations of operation conditions exist. The analysis presented by other authors [1-3] show, that the maximum junction temperature (corresponding to the onset of runaway) may be, in some conditions, as low as 110°C, substantially below the generally expected temperature limit of SiC devices. According to the analysis and measurements presented in this paper, the SiC device is able to operate with much higher junction temperature than that predicted in [1-3]. On the other hand, as it is shown, the higher values of series resistance may strongly restrict the values of the diode current ratings, therefore the decrease of series resistance in the manufacturing process is of vital importance.

PL

W artykule zaprezentowano obliczenia oraz pomiary statycznych charakterystyk DC diod Schottky'ego z węglika krzemu, z uwzględnieniem efektu samonagrzewania. Szczególną uwagę poświęcono wpływowi szeregowej rezystancji strat na kształt nieizotermicznych charakterystyk prądowo-napięciowych. Wzajemne oddziaływania elektro-termiczne w diodach pracujących z relatywnie dużymi prądami mogą doprowadzić do efektu określanego jako thermal runaway - czyli niekontrolowanego wzrostu napięcia na pasożytniczej rezystancji elementu. Z tego powodu istnieją poważne ograniczenia wartości zależnych od temperatury parametrów określających warunki pracy elementów (dopuszczalna temperatura pracy, maksymalny prąd przewodzenia). Znajduje się doniesienia [1—3], z których wynika, że maksymalna temperatura pracy elementów z węglika krzemu to 110°C, a przekroczenie tej temperatury może prowadzić do zniszczenia elementu. Wartość 110°C jest stanowczo za niska w odniesieniu do ogólnie oczekiwanych temperatur pracy elementów z węglika krzemu. Wyniki prezentowane w niniejszym opracowaniu wskazują na możliwości bezpiecznej pracy w zakresie temperatur znacznie szerszym niż zakres przewidywany w [1-3]. Z drugiej strony, pokazano że duże wartości szeregowej rezystancji strat mogą poważnie ograniczać zakres prądów dopuszczalnych dla elementów TL węglika krzemu. W związku z tym, dążenie do zmniejszenia udziału rezystancji pasożytniczej w tych elementach jest bardzo istotne.

16

Frequency dependence of the self-heating effect in polymer-based composites

Katunin A., Hufenbach W., Kostka P., Holeczek K.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2010

|

Vol. 41, nr 1-2

9-15

EN

Purpose: The self-heating effect caused by viscous energy dissipation in polymer-based composite structures subjected to harmonic loads is considered to have a great influence on the residual life of the component. The purpose of the conducted investigations is the determination of the dynamic mechanical behaviour of a polymer-based composite material under different excitation frequencies and temperatures. Design/methodology/approach: The dynamic mechanical analysis was employed for measurements of temperature and frequency dependence of the complex rigidity parameters. Obtained loss rigidity curves for different load frequencies enable the determination of the glass-transition temperatures and finally frequency-dependence of the loss rigidity determined on the basis of the kinetic molecular theory and Williams-Landel-Ferry (WLF) hypothesis. Findings: The dependency between glass-transition temperature and excitation frequency has been investigated. The activation energy of the phase transition as well as the temperature dependence of the shift factor was calculated. The glass-transition temperature and constants of WLF equation enable the determination of temperature and frequency dependence of the loss rigidity according to the time-temperature superposition principle. Research limitations/implications: The ranges of temperatures were limited to 30-150 °C and excitation frequencies to 1-200 Hz, the behaviour of the composite material outside these ranges can be estimated based on the theoretical assumptions only. Obtained dependencies are correct only for linearly viscoelastic materials. Practical implications: Obtained dependencies can be useful for estimation of the mechanical and thermal degradation of polymer-based composites and can be subsequently applied for the determination of fatigue, crack growth and residual life of composite structures. Originality/value: The determination of temperature and frequency dependence of the loss rigidity gives an opportunity to obtain the self-heating temperature distribution of the polymer-based composite structures under harmonic loading.

17

Model analityczny efektu samorozgrzania w płytach prostokątnych z laminatów polimerowych podczas gnących obciążeń harmonicznych

Katunin A.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2010

|

nr 4

91-101

PL

Efekt samorozgrzania, spowodowany dyssypowaną energią podczas drgań niewspółfazowych pomiędzy amplitudami naprężeń i odkształceń, jest ważnym zjawiskiem w laminatach polimerowych. Wzrost temperatury samorozgrzania w laminatach polimerowych może być niebezpieczny podczas eksploatacji, gdyż większość polimerów cechuje się niską temperaturą zeszklenia i jednocześnie niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła. Powoduje to kumulowanie ciepła w strukturze i obniżenie właściwości materiałowych laminatu. Z tego względu zachowanie laminatów polimerowych podczas procesu samorozgrzania powinno być zbadane. W niniejszym artykule rozpatrzono efekt samorozgrzania laminatowych płyt prostokątnych poddanych prostemu zginaniu podczas harmonicznych obciążeń wymuszonych jako zadanie dwuwymiarowe. Rozpatrzono cztery przypadki prostego zginania płyt z różnymi warunkami brzegowymi. Rozwiązanie zagadnienia otrzymano dla termicznego stanu ustalonego i przedstawiono w postaci podwójnych nieskończonych szeregów trygonometrycznych. Pokazano przykłady obliczeń numerycznych dla badanych przypadków oraz zbadano wpływ parametrów obciążenia na wartości temperatury samorozgrzania.

EN

Self-heating effect, caused by energy dissipation during out-of-phase oscillations between stress and strain amplitudes, is an important phenomenon in polymer-based laminates. An increase of self-heating temperature in polymer-based laminates can be dangerous, because most polymers feature low glass-transition temperature and simultaneously low heat transfer coefficient. It causes the accumulation of heat the decreases of the material properties of the laminate. Therefore, the behaviour of polymer-based laminates during self-heating should be examined. In this paper the self-heating effect in laminated rectangular plates subjected to pure bending during harmonic forced loading was examined as a two-dimensional problem. In the examination four cases of pure bending of plates with different mechanical boundary conditions were considered. The examination revealed a solution of the problem for the thermal steady state and presented as double trigonometric infinite series. Numerical examples of temperature distribution were shown and the influence of loading parameters on self-heating temperature values was concluded.