KOMOREK Andrzej 1 PRZYBYŁEK Paweł 2 KUCHARCZYK Wojciech 3 KRZYŻAK Aneta 4

KOMOREK Andrzej 1 PRZYBYŁEK Paweł 2 KUCHARCZYK Wojciech 3 KRZYŻAK Aneta 4 Wpływ napełniaczy ziarnistych na właściwości termoochronne i wytrzymałościowe polimerowych kompozytów aramidowych do zastosowań w konstrukcjach lotniczych WSTĘP Mając na uwadze kierunki realizowanych na świecie prac badawczych, jak również uwzględniając liczbę opublikowanych wyników badań dotyczących wpływu różnorodnych napełniaczy na właściwości polimerowych kompozytów ze wzmocnieniem w postaci włókien aramidowych, postanowiono, w niniejszym opracowaniu, określić wpływ rodzaju wybranych napełniaczy ziarnistych na podstawowe ablacyjne właściwości termoochronne oraz wytrzymałościowe tego typu hybrydowych kompozytów warstwowych (laminatów) pod kątem możliwości ich zastosowań na elementy konstrukcji lotniczych szczególnie jako materiał uniwersalnych osłon termo-mechanicznych rejestratorów parametrów lotu statku powietrznego. Zastosowanie uniwersalnej obudowy ochronnej z polimerowych kompozytów włóknistych umożliwi spełnienie współczesnych wymagań przez rejestratory lotnicze eksploatowane od wielu lat na statkach powietrznych starszego typu, które na skutek zmian określonych w obecnie obowiązujących dokumentach normatywnych, już tych wymagań nie spełniają. [17] Rejestratory parametrów lotu FDR [6, 17] przeznaczone są do zapisu podstawowych parametrów lotu i eksploatacyjnych parametrów pracy zespołów statku powietrznego, w celu oceny: bezpieczeństwa lotu, techniki pilotowania, stanu systemów pokładowych, przyczyny wypadku lub katastrofy lotniczej. Ich cechy konstrukcyjne umożliwiają zachowanie, a także odtworzenie informacji, nawet w przypadku zniszczenia konstrukcji statku powietrznego. Układy rejestrujące są urządzeniami obiektywnej kontroli lotu i stanowią obowiązkowe wyposażenie większości statków powietrznych. W USA zgodnie z wymaganiami FAA urządzenia pokładowe powinny rejestrować 11 29 parametrów, w zależności od typu i wielkości statku powietrznego (SP). Zgodnie z zaleceniami FAA (z dnia 17.06.1997), w samolotach wytworzonych po 2001 roku, minimalna liczba rejestrowanych parametrów wynosi 88. Właściwy dobór parametrów, które podlegają rejestracji oraz archiwizowaniu pozwala zwiększyć stan bezpieczeństwa wykonywanych lotów, zapobiegać powstawaniu zdarzeń lotniczych, ocenić wykonanie zadania, ocenić przestrzeganie zasad bezpieczeństwa przez pilota oraz wykryć niektóre uszkodzenia sprzętu lotniczego. [6, 23] Rejestratory parametrów pracy różnorodnych obiektów eksploatacji są coraz powszechniej stosowane także przez producentów samochodów, lokomotyw oraz statków. Jest to zwykle moduł będący układem pomiarowo-diagnostycznym SDM (Sensing and Diagnostics Module), z którego informacje są sczytywane i archiwizowane podczas przeprowadzania przeglądów kontrolnych. Wspomagają one realizację typowego procesu diagnostycznego, a także umożliwiają szerszą i bardziej dogłębną analizę niesprawności, która jest podstawą do modyfikowania procedur wykorzystywanych podczas lokalizacji niesprawności, a nawet określania wybranych wskaźników niezawodności. [23, 17] 1 Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, Katedra Awioniki i Systemów Sterowania; 08-521 Dęblin; ul. Dywizjonu 303, nr 35. Tel: + 48 81 551-74-23, Fax: + 48 81 551-74-17, komman@op.pl 2 Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych, Katedra Płatowca i Silnika; 08-521 Dęblin; ul. Dywizjonu 303, nr 35. Tel: + 48 81 551-74-23, Fax: + 48 81 551-74-17, sqcdr@wp.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny; 26-600 Radom; ul. J. Krasickiego 54B. Tel: + 48 48 361-76-80, Fax: + 48 48 361-76-19, wojciech.kucharczyk@uthrad.pl 4 Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji, Wydział Transportu i Informatyki; 20-209 Lublin; ul. Projektowa 4. Tel: + 48 81 749-32-43, aneta.krzyzak@gmail.com 3030

Polimerowe kompozyty włókniste, tzw. laminaty, są stosowane w konstrukcjach transportu (naziemnego, wodnego i powietrznego) ze względu na możliwość zmniejszenia masy oraz zwiększenia ładowności i zasięgu środka transportu. Jednocześnie posiadają porównywalne z tradycyjnymi materiałami konstrukcyjnymi (metalami i ich stopami) właściwości mechaniczne. Laminaty (kompozyty warstwowe), szczególnie chętnie stosowane są w elementach lotniczych [10, 22], w których kluczowym jest minimalizacja masy konstrukcji, wówczas głównym kryterium są: wytrzymałość właściwa oraz sztywność właściwa, czyli moduł właściwy sprężystości. Włókna wzmacniające mają decydujący wpływ na właściwości konstrukcyjne kompozytów polimerowych. Jako wzmocnienie w kompozytach polimerowych stosowane są najczęściej (w kolejności) włókna: szklane, karbonizowane (węglowe i grafitowe), z poliamidów aromatycznych (aramidowe), polietylenowe, bazaltowe oraz włókna roślinne różnego pochodzenia [11, 26]. Przez zmianę udziału, rozmiaru, kształtu, rozkładu i orientacji elementów wzmacniających można kształtować właściwości materiałów kompozytowych. Moduł sprężystości włókien jest nawet 15 30 razy większy niż polimerów [11]. Szczególnie w lotnictwie, w coraz większym stopniu wprowadzane są elementy konstrukcyjne wytworzone z kompozytów warstwowych ze wzmocnieniem włóknistym [22]. Szacuje się, iż poprzez zastosowanie włókien szklanych można zredukować masę konstrukcji o około 20 35%. Włókna szklane mają znacznie mniejszy moduł sprężystości, ale większe wydłużenie przy zerwaniu (około 3%) [11]. Wzmocnienie z włókien węglowych może spowodować zmniejszenie masy konstrukcji nawet o około 40 60% [28]. Włókna te cechują się wysokim modułem sprężystości, ale małym wydłużeniem przy zerwaniu (od 1 1,5%) [11]. Włókna aramidowe, a szczególnie kevlarowe, ze względu na właściwości rozpraszania energii pochodzącej od uderzenia (wynikające z małej gęstości i jednocześnie wysokiej wytrzymałości) znalazły najszersze zastosowanie w elementach antybalistycznych wyposażenia indywidualnego [15], jak i pojazdów: wojska, policji i innych służb zmilitaryzowanych, ze względu na niski koszt, łatwą dostępność, biodegradowalność oraz zwykle niską gęstość oraz niejednokrotnie stosunkowo dobre właściwości wytrzymałościowe. Coraz częściej jako wzmocnienie żywic polimerowych stosowane są różnorodne włókna pochodzenia naturalnego, takie jak: sizal, włókna kokosowe, juta, włókna bananowe, itp. [12, 18, 19, 26]. Kompozyty wzmacniane włóknami naturalnymi są zwykle stosowane na elementy konstrukcji nieprzenoszących zbyt dużych obciążeń. Ze względu na niski koszt wzmocnienia włóknami naturalnymi oraz bardzo dobre cechy ekologiczne, coraz częściej badane są możliwości zastąpienia tradycyjnie używanych na wzmocnienie materiałów przez włókna naturalne [4, 12, 26]. Napełniacze ziarniste (mineralne, organiczne) pełnią w kompozycie różne funkcje: umożliwiają stosowanie metod przetwórczych, które bez ich udziału byłyby niemożliwe, obniżają cenę tworzywa polimerowego, powodują zmiany właściwości fizycznych, mogą wprowadzać właściwości specjalne (ślizgowe, termoochronne, zmieniać gęstość, itp.). Napełniacze mogą stanowić samoistną fazę rozproszoną lub być używane łącznie z włóknami wzmacniającymi [11]. W celu poprawy wybranych właściwości stosuje się różnorodne napełniacze, np. w pracy [9] określono wpływ węglowego wzmocnienia włóknistego oraz napełniacza w postaci gumy na wytrzymałość na zginanie oraz odporność kompozytów na poprzeczne obciążenie udarowe. Natomiast w pracy [5] zaprezentowano wpływ napełniacza w postaci mikrobalonów na wytrzymałości na zginanie i ściskanie, sztywność i udarność. Napełniacze stosowane są również w celu poprawy cech eksploatacyjnych kompozytów. W pracy [1] zaprezentowano wpływ napełniaczy SiC oraz Al 2 O 3 na odporność na zużycie cierne kompozytu ze wzmocnieniem z włókien naturalnych w osnowie epoksydowej, natomiast w pracy [3] napełniacza grafitowego i SiC. Kompozyty o osnowie polimerowej szczególnie szybko tracą swoje właściwości, gdy temperatura w której wykonane z nich elementy pracują, wzrośnie powyżej temperatury zeszklenia, która to dla duroplastów waha się od 60 do 160 C, a dla termoplastów od około 80 do 300 C. Dodatek odpowiednich napełniaczy może poprawić odporność kompozytów na zmiany temperatury środowiska eksploatacyjnego. W pracy [21] określono wpływ proszków TiC i ZrO 2 na wytrzymałość na zginanie, oraz sztywność kompozytu z węglowym wzmocnieniem włóknistym w zakresie 3031

temperatury od 20 do 1400 C. Z kolei w pracy [25] opisano wpływ SiC oraz wzmocnienia włóknistego 2D C/C (Carbon-Carbon) na wytrzymałości na rozciąganie i zginanie oraz sztywność, jak również na ablacyjne właściwości termoochronne wytworzonych kompozytów. Wyniki badań wskazują istotne oddziaływanie napełniaczy na różne właściwości, począwszy od chemicznych samej żywicy [7], poprzez wpływ udziału wagowego napełniaczy na właściwościach mechaniczne [1, 3, 24, 25] oraz termomechaniczne [21]. Można ogólnie stwierdzić, iż użycie SiC oraz Al 2 O 3 poprawia właściwości wytrzymałościowe kompozytu [1, 3, 25], a dodatek TiC właściwości mechaniczne w podwyższonej temperaturze [21]. Natomiast dodatek napełniacza w postaci mikrobalonów obniża właściwości wytrzymałościowe żywicy, jednakże w tym przypadku duże znaczenie ma udział wagowy napełniacza. Wpływ mikrobalonów na właściwości kompozytu w dużym stopniu zależy od rodzaju wzmocnienia oraz jego postaci [24]. Analizując literaturę, można zauważyć szczególnie istotny wpływ napełniaczy na właściwości termoochronne kompozytów polimerowych, w tym na te, o charakterze ablacyjnym. Najczęściej stosowanym dodatkiem jest różnorodnie modyfikowany montmorylonit MMT [2, 8]. Prócz niego używane są i inne napełniacze ziarniste, takie jak [13, 14]: tlenki i węgliki metali wysokotopliwych, pył węglowy, grafit srebrzysty, perlit ekspandowany czy też wermikulit, a czasem także proszki metali wysokotopliwych w czystej postać, ale o wysokiej gęstości, jako że kształtowanie ablacyjnych właściwości termoochronnych polega na poszukiwaniu materiałów o dużym cieple właściwym c p (t) i dużej gęstości (dużej pojemności cieplnej), oraz o niskim współczynniku przewodzenia ciepła (t) (czyli małej dyfuzyjności cieplnej (t)) [13, 14]. W celu oceny ablacyjnych właściwości termoochronnych badacze stosują zatem ocenę dyfuzyjności cieplnej materiału [13, 14, 27] oraz określają parametry termoochronne: maksymalną temperaturę tylnej powierzchni ścianki izolującej t s [13, 14, 16, 29], ablacyjny ubytek masy U a [13, 14, 27] oraz średnią szybkości ablacji v a [14, 27, 29]. 1. METODYKA BADAŃ W celu badania wpływu rodzaju napełniacza ziarnistego na wybrane właściwości kompozytu warstwowego przygotowano laminaty warstwowe (6 płyt kontrolnych) o wymiarach 200 mm x 150 mm (PN-EN-2377:1994). Jako wzmocnienie użyto 12 warstw tkaniny aramidowej o gramaturze 230 g/m 2, rozmieszczone w osnowie z żywicy epoksydowej Epidian 52 sieciowanej w temperaturze pokojowej utwardzaczem PAC. Właściwości osnowy kompozytów modyfikowano poprzez 15% dodatek wybranych napełniaczy ziarnistych (tabela 1): montmorylonit (MMT), mikrobalony, tlenek glinu Al 2 O 3, węglik krzemu SiC, proszek wolframu (W), pył węglowy (C). Tab. 1. Właściwości użytych napełniaczy ziarnistych [11, 13, 14] Parametr Rodzaj napełniacza MMT mikrobalony Al 2 O 3 SiC proszek W pył węglowy C Gęstość ρ 10 3 [kg/m 3 ] 2,5 0,69 3,65 3,21 19,2 2,2 Temperatura topnienia t top [ C] Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/m 2 C] Twardość [GPa] Wytrzymałość na ściskanie R c [MPa] 1250 1495 1975 2050 3395 3500-0,07 35 36 153 50 400 6 w skali Mohsa 10 24 18 32 373 0,6 0,07-1470 3100 1300 3900 4300 4900 80 3500 3032

Z płyt kontrolnych zostały przygotowane próbki do badań ablacyjnych, udarności oraz wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe. Wymiary próbek zostały przedstawione w tabeli 2. Do wszystkich badań wykonano 84 próbki: 24 próbki do badań ablacyjnych, 30 próbek do badań udarności, 30 próbek do badania wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe. Tab. 2. Wymiary próbek użytych do badań Rodzaj badania Norma Długość [mm] Szerokość [mm] Grubość [mm] Ablacyjne właściwości termoochronne GJB323A-96. National Standard Committee of China 35 30 Wynikowa Udarność ISO 179-1:2000 80 10 Wynikowa Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe PN EN ISO 14125 60 30 Wynikowa W literaturze można odnaleźć w zasadzie dwie metody badawcze w celu określenia właściwości ablacyjnych kompozytów: oddziaływanie na próbkę płomienia wytworzonego przy pomocy palnika acetylenowo-tlenowego [13, 14, 20, 27, 29] lub wysokotemperaturowego płomienia z palnika plazmowego [16]. W przypadku badania właściwości ablacyjnych stosowano różny, eksploatacyjne uzasadniony, zakres temperatury płomienia oddziaływującego na badany materiał, od mniej niż 1000 C [13], aż do ponad 3000 C [14, 27]. Badania ablacyjne przeprowadzano na stanowisku zaprojektowanym i skonstruowanym w WSOSP w Dęblinie (rysunek 1), dla przyjętych założeń: czas próby τ = 90 s, charakterystyki termofizyczne użytych materiałów ( (t) współczynnik przewodności cieplnej, a(t) dyfuzyjność cieplna, c p (t) ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu) są stałe, strumień doprowadzanego ciepła nie ulega zmianie w czasie próby ablacyjnej, powierzchnia ablacyjna jest izotermiczną powierzchnią frontu ablacji, pominięta jest wymiana ciepła z otoczeniem na powierzchni zewnętrznej. Temperatura powierzchni ablacyjnej t pa, na którą oddziaływał wysokotemperaturowy strumień cieplny o temperaturze t = 800 C (temperatura płomienia) była mierzona przy użyciu pirometru (wyniki przedstawiono na rysunku 2), natomiast temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki t s mierzono termometrem termoelektrycznym. Rys. 1. Stanowisko do badań termoochronnych właściwości ablacyjnych Badanie wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe zrealizowano metodą trójpunktowego zginania krótkich belek, uwzględniając parametry badania oraz sposób przygotowani próbek, a także sposób opracowania wyników zgodnie z normami PN EN ISO 178, PN EN ISO 14125, PN EN ISO 14130. Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej ZWICK/ROELL Z100. Badanie udarności przeprowadzono uwzględniając parametry zawarte w normie ISO 179-1:2000. Do badania wykorzystano młot Charpy ego firmy Galdabini: Impact 25 z wahadłem o energii nominalnej 15J. 3033

Rys. 2. Wartości średnie temperatury powierzchni ablacyjnych kompozytów t pa [ C] 2. WYNIKI BADAŃ 2.1. Ablacyjne właściwości termoochronne Jako główny parametr, do oszacowania wpływu napełniaczy ziarnistych, na ablacyjne właściwości termoochronne przyjęto maksymalną temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej t s_max. Na rysunku 3 przedstawiono maksymalne temperatury tylnych powierzchni ścianek próbek izolujących kompozytów z poszczególnymi napełniaczami proszkowymi. Najniższą temperaturę 34 C, niższą od średniej o około 20%, uzyskał kompozyt z 15% dodatkiem MMT. Rys. 3. Maksymalna temperatura tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej t s_max [ C] Względny ablacyjny ubytek masy U a obliczono jako procentową zmianę masy próbki po czasie 90 s oddziaływania strumienia gazów palnych, a graficzną interpretację wyników przedstawiono na rysunku 4. Najniższe względne ablacyjne ubytki mas uzyskały kompozyty: z dodatkiem MMT oraz pyłu węglowego C. Najwyższy, 22% względny ubytek masy zarejestrowano dla kompozytu z napełniaczem w postaci proszku wolframu W. Najlepsze ablacyjne właściwości termoochronne posiada kompozyt, dla którego wartości obu ablacyjnych parametrów są jak najniższe warunek ten spełnia laminat z dodatkiem montmorylonitu MMT. 3034

Rys. 4. Względny ablacyjny ubytek masy U a [%], po czasie 90 sekund oddziaływania gazów palnych 2.2. Właściwości mechaniczne Badanie udarności polegało na grawitacyjnym uderzeniu młota wahadłowego o energii 15 J w konfiguracji uderzenia płaszczyznowego-prostopadłego. Uzyskane wyniki przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Wyniki badań udarności metoda Charpy ego KC [kj/m 2 ] Najwyższą energię, 162,8 kj/m 2 pochłonęła próbka z kompozytu z dodatkiem proszku wolframu. Najniższą energię, 93,8 kj/m 2 osiągneła natomiast próbka z dodatkiem napełniacza proszkowego w postaci mikrobalonów. Badanie wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe zrealizowano metodą trójpunktowego zginania krótkich belek. Uzyskane wyniki zaprezentowano na rysunku 6. Najwyższą wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe, równe 13,2 MPa osiągnął kompozyt z 15% udziałem napełniacza węglowego w postaci pyłu węglowego C, a najniższą równą 9,4 MPa kompozyt z domieszką proszku wolframu W. Uzyskane wyniki umożliwiają również analizę wpływu rodzaju napełniacza na właściwości sprężyste laminatu. Na podstawie porównania modułu sprężystości przy zginaniu, można stwierdzić, iż największą sztywność można uzyskać poprzez dodatek proszku wolframu lub przez dodatek Al 2 O 3 (rysunek 7). 3035

Rys. 6. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe τ ILSS [MPa] Rys. 7. Moduł sprężystości przy zginaniu E [MPa] WNIOSKI W przypadku ablacyjnych właściwości termoochronnych istotne jest uzyskanie jak najniższych wartości parametrów właściwości termoochronnych. Najkorzystniej na właściwości termoochronne wpłynął dodatek MMT, zmniejszając maksymalną temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej o 50% w stosunku do kompozytu z dodatkiem proszku wolframu W. Względny ablacyjny ubytek masy kompozytu z montmorylonitem MMT był 45% mniejszy w stosunku do kompozytu z dodatkiem proszku wolframu W. W przypadku właściwości wytrzymałościowych najczęściej istotne jest uzyskanie jak najwyższych wartości parametrów. Dodatek proszku wolframu W wpłynął najkorzystniej na udarność, powodując jej zwiększenie o około 40% w stosunku do laminatu z dodatkiem mikrobalonów, który jest kompozytem o najniższej udarności. W przypadku wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe τ ILSS najkorzystniejszym dodatkiem okazał się napełniacz proszkowy w postaci pyłu węglowego C, który zwiększył wytrzymałość o około 30% w stosunku do kompozytu o najniższej wytrzymałości, tzn. laminatu z dodatkiem proszku wolframu W. Najtrudniej jest określić rodzaj napełniacza, który umożliwiłby uzyskanie zarówno wysokich właściwości termoochronnych, jak i wytrzymałościowych. Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, iż dla 15% dodatku napełniacza ziarnistego, aby uzyskać polimerowy kompozyt warstwowy o jednocześnie wysokich ablacyjnych właściwościach termoochronnych oraz wytrzymałościowych należy zastosować napełniacz ziarnisty w postaci pyłu węglowego C (rysunek 8). 3036

Rys. 8. Porównanie parametrów określających właściwości wytrzymałościowe i termoochronne Należy zaznaczyć, iż polimerowe kompozyty warstwowe o termoochronnych właściwościach ablacyjnych mogą być stosowane do budowy osłon termoochronnych np. wyposażenia awionicznego statku powietrznego. Dotychczas większość urządzeń awioniki samolotów i śmigłowców zbudowanych na bazie elementów wysokowydajnej elektroniki, chroniona była przed uszkodzeniami przez obudowy wykonane z materiałów o dużym współczynniku przewodności cieplnej, spośród których najpowszechniej stosowanymi były metale, np. stopy aluminium. Takie rozwiązania nie zabezpieczały jednak skutecznie przed incydentalnym lub gwałtownym wzrostem temperatury w przypadku wystąpienia wypadku lub katastrofy lotniczej. W tego rodzaju zastosowaniach istotnym parametrem wytrzymałościowym jest udarność. Jeżeli priorytetowymi parametrami będą: wysoka udarność i dobre właściwości ablacyjne, wówczas najlepszym z badanych napełniaczy jest MMT, który najkorzystniej wpływa na właściwości kompozytów do tego typu zastosowań (rysunek 9). Należy zaznaczyć jednak, iż specyficzne cechy laminatów powodują, że materiały te wymagają opracowania nowych metod oceny ich przydatności do pracy w warunkach podatnych na występowanie zagrożeń uszkodzenia elementu poprzecznym obciążeniem udarowym [10]. Rys. 9. Porównanie parametrów określających właściwości termoochronne z udarnością Na podstawie uzyskanych wyników, można stwierdzić, iż niezbędne jest rozszerzenie obszaru badań w celu określenia wpływu ilości napełniacza na określone właściwości kompozytu warstwowego oraz wykonanie analogicznych badań przy zastosowaniu innych rodzajów i postaci wzmocnienia, co mogłoby umożliwić opracowanie założeń do modelowania i optymalizacji doboru składników kompozytu w celu uzyskania określonych właściwości. 3037

Streszczenie W pracy zaprezentowano wyniki ablacyjnych badań termoochronnych oraz badań wytrzymałościowych epoksydowych laminatów aramidowych w aspekcie wpływ rodzaju napełniacza ziarnistego na wybrane właściwości kompozytu do zastosowań na elementy konstrukcji lotniczych. Jako wzmocnienie użyto 12 warstw tkaniny aramidowej o gramaturze 230 g/m 2 rozmieszczonych w osnowie z żywicy epoksydowej Epidian 52 sieciowanej, w temperaturze pokojowej, utwardzaczem PAC. Właściwości osnowy kompozytów modyfikowano poprzez 15% dodatek: węglika krzemu SiC, pyłu węglowego C, mikrobalonów, karborundu Al 2 O 3 montmorylonitu (MMT) oraz proszku wolframu W. Z wykonanych płyt kontrolnych (o wymiarach 200 mm x 150 mm) zostały wycięte próbki do badań ablacyjnych, udarności oraz wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe. Jako główny parametr do oszacowania wpływu napełniaczy ziarnistych na ablacyjne właściwości termoochronne przyjęto maksymalną temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej t s. Ponadto określono względny ablacyjny ubytek masy U a. Zbadano istotne właściwości mechaniczne: wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe τ ILSS i udarność KC. Effect of grain fillers on the thermo-protective and the strength properties of epoxy-matrix composites based on aramid fabrics used to the aviation requirements Abstract The paper presents the results of ablation thermo-protective studies and strength research of aramid epoxy laminates in terms of the particulate filler type impact on selected properties of composite components for use on aircraft structures. As a reinforcement were used 12 layers of aramid fabrics of a basis weight 230 g/m 2 arranged in a matrix of epoxy resin Epidian 52 crosslinked with PAC hardener, at room temperature. Matrix composite properties were modified by the addition of 15% Silicon Carbide SiC, carbon dust C, microballoons, carborundum Al 2 O 3, montmorillonite (MMT), and powder made of tungsten W. Ablative, impact strength and interlaminar shear strength test pieces were cut from the performed composite sheet. As the main parameter to estimate the effect of particulate fillers on ablative thermo-protective properties, the maximum temperature of the rear surface of the wall sample t s was selected. Moreover, the relative ablation weight loss U a was also specified. Important, mechanical properties of the material were determined: interlaminar shear strength τ ILSS and toughness KC. BIBLIOGRAFIA 1. Ahmed K.S., Khalid S.S., Mallinatha V., Kumar S.J.A., Dry sliding wear behavior of SiC/Al2O3 filled jute/epoxy composites. Materials and Design 2012, 36: 306 315. 2. Bahramian A.R., Kokabi M., Ablation mechanism of polymer layered silicate nanocomposite heat shield. Journal of Hazardous Materials 2009, 166: 445 454. 3. Basavarajappa S., Ellangovan S., Dry sliding wear characteristics of glass epoxy composite filled with silicon carbide and graphite particles. Wear 2012, 296: 491 496. 4. Bella G.Di., Fiore V., Valenza A., Effect of a real weight and chemical treatment on the mechanical properties of bidirectional flax fabrics reinforced composites. Materials and Design 2010, 31: 4098 4103. 5. Ferreira J.A.M., Capela C., Costa J.D., A study of the mechanical behaviour on fibre reinforced hollow microspheres hybrid composites. Composites Part A 2010, 4: 345 352. 6. Flight Data Recorder Read-Out,Technical and Regulatory Aspect, May 2005 BAE. 7. Garoushi S., Vallittu P.K., Watts D.C., Lassila L.V.J., Effect of nanofiller fractions and temperature on polymerization shrinkage on glass fiber reinforced filling material. Dental materials 2008, 24: 606 610. 8. Guan Y., Zhang L.X., Zhang L.Q, Lu Yong-L., Study on ablative properties and mechanisms of hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) composites containing different fillers. Polymer Degradation and Stability 2011, 96: 808 817. 9. Kim S.Y., Baek S.J., Youn J.R., New hybrid method for simultaneous improvement of tensile and impact properties of carbon fiber reinforced composites, Carbon 2011, 49: 5329 5338. 3038

10. Komorek A., Przybyłek P., Examination of the influence of cross-impact load on bend strength properties of composite materials, used in aviation. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2012, 14(4): 265 269 11. Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. PWN, Warszawa 2012. 12. Krzyżak A., Szyszko N., Aspects of selected properties of polymer composites with natural fibers. Deterioration, dependability, diagnostics. University of Defence, Brno 2013: 25 38. 13. Kucharczyk W., Przybyłek P., Opara T.A., Investigation of the thermal protection ablative properties of thermosetting composites with powder fillers: the corundum Al2O3 and the Carbon Powder C. Polish Journal of Chemical Technology 2013, 15(4): 49 53. DOI: 10.2478/pjct-2013-0066. 14. Kucharczyk W., Ablative and abrasive wear of phenolic-formaldehyde glass laminates with powder fillers. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability 2012, 14(1): 12 18. 15. Othman A.R., Hassan M.H., Effect of different construction designs of aramid fabric on the ballistic performances. Materials and Design 2013, 44: 407 413. 16. Park J.K., Cho D., Kang T.J., A comparison of the interfacial, thermal, and ablative properties between spun and filament yarn type carbon fabric/phenolic composites. Carbon 2004, 48: 795 804. 17. Przybyłek P., Opara T., Kucharczyk W., Możliwości zwiększenia odporności cieplnej rejestratorów lotniczych poprzez zastosowanie osłon z polimerowych kompozytów ablacyjnych. Journal of Aeronautica Integra 2011, 9(2): 50 56. 18. Reis J.M.L., Sisal fiber polymer mortar composites: Introductory fracture mechanics approach. Construction and Building Materials 2012, 37: 177 180. 19. Shih Y.F, Cai J.X., Kuan C.S., Hsieh C.F., Plant fibers and wasted fiber/epoxy green composites. Composites Part B 2012, 43: 2817 2821. 20. Shu-Ping L., Ke-zhi L., He-Jun L., Yu-Long L., Qin-Lu Y., Effect of HfC on the ablative and mechanical properties of C/C composites. Materials Science and Engineering 2009, A 517: 61 67. 21. Songa G.M., Zhoua Y, Kang S.J.L., Experimental description of thermomechanical properties of carbon fiberreinforced TiC matrix composites. Materials and Design 2003, 24: 639 646. 22. Soutis C., Fiber reinforced composites in aircraft construction. Progress in Aerospace Sciences 2005, 41: 143 151. 23. Stevens T, Onley R.E., Morich R.S., Design of a Crash Survivable Locomotive Event Recorder, Arlington, 1999. 24. Suresha B., Ramesh B.N., Subbaya K.M., Kumar B.N.R., Chandramohan G., Influence of graphite filler on two-body abrasive wear behaviour of carbon fabric reinforced epoxy composites. Materials and Design 2010, 31: 1833 1841. 25. Tang S., Deng J., Liu W., Yang K., Mechanical and ablation properties of 2D-carbon/carbon composites pre-infiltrated with a SiC filler. Carbon 2006, 44: 2877 2882. 26. Wang H. Ku., Pattarachaiyakoop H.N, Trada M., A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer composites. Composites Part B 2011, 42: 856 873. 27. Xuetao S., Kezhi L., Hejun L., Hongying D., Weifeng C., Fengtao L. Microstructure and ablation properties of zirconium carbide doped carbon/carbon composites, Carbon 2010, 48: 344 351. 28. Zhang J., Chaisombat K., He S., Wang C.H., Hybrid composite laminates reinforced with glass/carbon woven fabrics for lightweight load bearing structures. Materials and Design 2012, 36: 75 80. 29. Zhao-ke Ch., Xiang X., Guo-dong L., Ya-lei W., Ablation behaviors of carbon/carbon composites with C-SiC-TaC multi-interlayers. Applied Surface Science 2009, 255: 9217 9223. "This publication has been co-financed with the European Union funds by the European Social Fund" Priority VIII, Operation 8.2 3039