Streszczenie pracy doktorskiej pt. Analiza zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych w wyniku obciążenia dynamicznego z niską prędkością

Transkrypt

1 Mgr inż. Patryk Jakubczak Katedra inżynierii Materiałowej Politechnika Lubelska Lublin 19 XI 2012 Streszczenie pracy doktorskiej pt. Analiza zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych w wyniku obciążenia dynamicznego z niską prędkością (zrealizowanej do dnia 19 XI 2012r) Laminaty metalowo-włókniste (Fiber Metal Laminates FML) są nowoczesnymi, hybrydowymi materiałami konstrukcyjnymi, składają się z na przemian ułożonych warstw kompozytu o osnowie polimerowej wzmacnianego włóknami oraz warstw metalu. Znajdują zastosowanie na części poszyć samolotów i elementy usterzenia. Są silnie narażone na bezpośredni kontakt z otoczeniem zewnętrznym [1]. Z uwagi na ich warunki eksploatacji ważne jest aby odznaczały się jak najwyższą odpornością na obciążenia dynamiczne, które w lotnictwie stały się istotnym zagadnieniem dopiero po serii katastrof lotniczych (np. Aloha Airlines, lot nr 243). Ocena podatności laminatów metalowo-włóknistych na powstawanie uszkodzeń na skutek obciążeń dynamicznych stanowi znaczny problem naukowy i praktyczny [2]. Klasyczne próby udarności Charpy ego lub Izoda stosowane w badaniach metali i tworzyw sztucznych o strukturze warstwowej okazały się mało przydatne do oceny odporności na uderzenia w FML [12]. Specyficzne cechy laminatów sprawiają, że materiały te wymagają poszukiwania nowych metod oceny ich przydatności do pracy w warunkach stwarzających zagrożenie wystąpienia m.in. obciążeń dynamicznych o niskich prędkościach. Aspekt materiałowy ma tu największe znaczenie, ponieważ znajomość wpływu elementów składowych laminatu na jego zachowanie się w sytuacji obciążenia dynamicznego oraz mechanizm jego degradacji mają istotne znaczenie w procesie projektowania i eksploatacji odpowiedzialnych konstrukcji lotniczych. Ponadto badania wstępne przeprowadzone na laminatach epoksydowo-węglowych i warstwach metalowych wykazały, że odporność na impact laminatów FML nie jest sumą odporności na uderzenia ich poszczególnych komponentów [3,6].

2 Jednokrotne, obciążenie dynamiczne (udarowe uderzenie) siłą skupioną - impact jest zjawiskiem, które można podzielić na: impact o niskich prędkościach ( 10m/s) oraz impact o wysokich prędkościach (>10m/s). Impact o niskich prędkościach można podzielić dodatkowo ze względu na wartości energii uderzenia (impact o niskiej (<10J) oraz o wysokiej ( 10J) energii). Impact o wysokich prędkościach pozostawia widoczne zmiany w strukturze laminatu, które można zidentyfikować metodami oceny makroskopowej. Natomiast po uderzeniu z niską prędkością obserwuje się niszczące oddziaływanie wewnątrz laminatów FML. Wykazano, że uderzenia poprzeczne w powierzchnie wykonane z laminatów FML, spowodowane podczas naziemnej obsługi samolotów np. przez nieostrożnych mechaników, wózki bagażowe, załadunkowe i techniczne, ciała stałe wyrzucone spod kół samolotu, ciała stałe unoszone przez wiatr, mogą powodować poważne uszkodzenia wewnętrzne szczególnie w warstwach kompozytu oraz w kluczowej w laminatach FML granicy rozdziału faz metal/kompozyt. Przy niskich energiach impulsu obciążenia - rzędu kilku dżuli w miejscu uderzenia tworzy się niewielki, niekiedy trudny do zidentyfikowania obszar uszkodzenia. Przy energia rzędu kilkudziesięciu dżuli na powierzchni przeciwległej od miejsca styku wgłębnika uszkodzenie jest wyraźne i rozległe (uszkodzenie rozchodzi się stożkowo, ze szczytem w miejscu uderzenia). Istnieje pewna energia graniczna fce (first crack energy), która powoduje inicjację pęknięcia warstwy metalowej dla poszczególnych układów i konfiguracji laminatów. Uszkodzenia po uderzeniu o niskiej prędkości powodują spadek wartości wskaźników wytrzymałości. Z uwagi na tolerowanie w lotnictwie pewnych poziomów uszkodzeń, należy dobrze poznać odporność laminatów FML na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach, oraz poznać mechanizmy jakie zachodzą w strukturze przy uderzeniu siłą skupioną. Do tej pory pod względem odporności na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach przebadane zostały głównie laminaty GLARE [5,7,8]. Badania te jednak są wybiórcze i niepełne, gdyż nie przedstawiają korelacji między odpornością na obciążenia dynamiczne o niskiej prędkości a budową laminatów oraz nie zawierają pełnej analizy mechanizmów niszczenia tych materiałów. Laminaty CARALL nie były do tej pory poddawane badaniom odporności na uderzenia dynamiczne o niskich prędkościach. Należy pamiętać, że poznanie mechanizmów degradacji laminatów GLARE i CARALL na skutek dynamicznie dostarczonej energii zapewnia możliwość kształtowania odporności na uderzenia poprzez sterowanie budową laminatu. Prowadzenie badań odporności na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach najpowszechniejszych laminatów FML jest więc konieczne w kontekście aplikacji lotniczych tych materiałów.

3 Na podstawie przeglądu literatury oraz przeprowadzonych badań wstępnych i części badań właściwych postawiono tezę, że: Istnieje korelacja pomiędzy odpornością laminatów metalowo-włóknistych na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach a objętościowym udziałem metalu i grubości laminatu oraz sposobem ułożenia jego wewnętrznych warstw kompozytowych. Celem naukowym pracy jest analiza procesu niszczenia struktury laminatów, zachodzącego podczas dynamicznego obciążenia z niską prędkością. Celem praktycznym jest ocena możliwości kształtowania odporności na impact nowoczesnych laminatów metalowo-włóknistych, w szczególności wzmacnianych włóknem węglowym, poprzez sterowanie ich budową. Jako podstawowe kryterium odporności na obciążenia dynamiczne przyjęto wartości sił charakterystycznych w czasie uderzenia oraz wartość pracy wykonanej przez wgłębnik dla poszczególnych układów w zależności od ich budowy. Jako kryteria dodatkowe uwzględnione zostaną: pole powierzchni powstałego uszkodzenia oraz wartość odkształcenia. Przedmiot badań stanowią laminaty metalowo-włókniste: - aluminium/kompozyt epoksydowo-szklany (Al/GFRP) złożony z blach ze stopu aluminium gat (EN AW-2024 (AlCu4Mg1)) po obróbce T3 (przesycony, odkształcony na zimno i naturalnie starzony) o grubościach 0,3 i 0,5 mm połączonej z preimpregnowaną taśmą szklaną TVR380 (na bazie włókien szklanych typu R i żywicy epoksydowej M12) (Hexcel, USA) o nominalnej grubości warstwy po utwardzeniu 0,25 mm. - aluminium/kompozyt epoksydowo-węglowy (Al/CFRP) na bazie stopu aluminium EN AW-2024 oraz preimpregnowanej taśmy węglowej T700GC włókna węglowe typu AS7J, żywica epoksydowa M12 (Hexcel, USA) o nominalnej grubości warstwy po utwardzeniu 0,13 mm. Laminaty zostaną wytworzone dedykowaną do struktur lotniczych metodą autoklawową w warunkach laboratoryjnych Katedry Inżynierii Materiałowej Politechniki Lubelskiej (autoklaw - SCHOLZT MACHINENBAU). Ramowy plan badań założony i realizowany w pracy doktorskiej został przedstawiony na rysunku 1.

4 Lp. Plan badań 1 Dobór układów warstw 2 Wytworzenie laminatów FML 3 4 Badanie odporności na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach Określenie energii pierwszego pęknięcia fazy metalowej wybranych laminatów - wyznaczenie krzywych siła-czas - wyznaczenie głębokości odkształcenia laminatów - wyznaczenie pola powierzchni obszaru zniszczenia ultradźwiękową metodą echa 5 Ocena mechanizmów zniszczenia metodami makro- i mikroskopowymi - mikroskopia stereoskopowa - mikroskopia optyczna - mikroskopia elektronowa 6 Badanie resztkowej wytrzymałości ściskanie wybranych laminatów na 7 8 Badanie odporności wybranych laminatów FML na obciążenia dynamiczne o niskich energiach Statystyczne opracowanie wyników - wyznaczenie krzywych siła-czas - wyznaczenie obszaru i analiza zniszczenia z wykorzystaniem metod NDT Rys. 1. Ramowy program badań Analiza zniszczenia wybranych laminatów po uderzeniu o niskiej prędkości potwierdza tezę, że manewrując cechami materiałowymi i konstrukcyjnymi laminatów FML istnieje możliwość kształtowania ich odporności na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach. W dotychczas przeprowadzonych badaniach wykazano że: 1. Laminaty metalowo-włókniste typu Al/CFRP oraz Al/GFRP są materiałami charakteryzującymi się wysoką odpornością na jednokrotne uderzenia energią skupioną o niskich prędkościach dzięki trwałemu połączeniu sprężysto-plastycznej fazy metalowej ze sztywnym wypełnieniem kompozytowym.

5 2. Założenie o proporcjonalnej i przewidywalnej korelacji objętościowej zawartości metalu w laminacie nie jest spełnione w warunkach obciążeń dynamicznych o niskiej prędkości. 3. Mechanizm niszczenia badanych laminatów FML jest złożonym procesem degradacji materiału na skutek dostarczonej energii: odkształcanie sprężysto-plastyczne materiału, pękanie poszczególnych komponentów oraz delaminacja o charakterze adhezyjnokohezyjnym na granicach fazy metal-kompozyt i między warstwami kompozytu. 4. Stwierdzono, że istnieje możliwość kształtowania odporności laminatów FML na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach przez modyfikację ich budowy (zmianę ułożenia kierunku warstw w wypełnieniu kompozytowym - wielokierunkowe konfiguracje warstw poprawiają odporność na impact), modyfikowanie objętościowej zawartości metalu w danym układzie oraz rozbudowywanie układów na bardziej złożone. Literatura 1. Vlot A., Gunnink J.W.: Fiber Metal Laminates, Kluwert Academic Publishers, Dordrecht (2001) 2. Wu G G., Yang J.-M.: The mechanical behavior of glare laminates for aircraft structures, JOM, 75, (2005). 3. Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L.: Impact damage characterization of carbon fibre/epoxy composites with multi-layer reinforcement, Compos Part B- Eng.,31, (2000). 4. Vlot A., Krull M.: Impact Damage Resistance of Various Fiber Metal Laminates, J. Phys IV France 7, Paris, France, Nakatani H., Kosaka T., Osaka K., Sawada Y.: Damage characterization of titanium/gfrp hybrid laminates subjected to low-velocity impact. Composites: Part A 42 (2011) Zhou G., Davies G.A.O.: Impact response of thick glass fibre reinforced polyester laminates, Int. J. Impact Engng 1995, Vol. 16, No. 3, s Caprino G., Spatarob G., Del Luongo S.: Low-velocity impact behaviour of fibreglass aluminium laminates. Composites: Part A 35 (2004) Ardakani M.A., Khatibi A.A., Ghazavi S.A.: A study on the manufacturing of Glass- Fiber-Reinforced Aluminum Laminates and the effect of interfacial adhesive bonding on the impact behavior, Proceedings of the XIth International Congress and Exposition, June 2-5, Orlando, Florida USA, Bełzowski A., Rechul Z., Stasieńko J.: Uszkodzenia udarowe w laminacie wzmocnionym tkaniną szklaną, Kompozyty 5/2002