Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach

Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach 205 Patryk JAKUBCZAK* 1, Jaros³aw BIENIAŒ 1, Krzysztof DRAGAN 2 1 Katedra In ynierii Materia³owej, Politechnika Lubelska, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36 2 Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, ul. Ksiêcia Boles³awa 6, 01-494 Warszawa * e-mail: p.jakubczak@pollub.pl Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach Streszczenie. Laminaty epoksydowo-wêglowe s¹ nowoczesnymi materia³ami konstrukcyjnymi stosowanymi przede wszystkim w technice lotniczej z uwagi na wysokie w³aœciwoœci mechaniczne w odniesieniu do gêstoœci. W czasie eksploatacji poza w³asnoœciami wytrzyma³oœciowymi du e znaczenie ma tak e odpornoœæ na udarowe uderzenia skupione (impact), w tym uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach. Przy dostatecznie niskich energiach nastêpuje utrata spójnoœci wewn¹trz struktury w postaci delaminacji niewidocznych przy ocenie makroskopowej elementów. W pracy przedstawiono badanie odpornoœci na uderzenia przy niskich energiach laminatów epoksydowo-wêglowych o ró nych uk³adach w³ókien, wytworzonych metod¹ autoklawow¹ z jednokierunkowej taœmy preimpregnowanej. Zastosowano energie uderzenia w zakresie 1,5-5 J. Wyznaczono wykres zmian si³y w czasie uderzenia, si³ê maksymaln¹ oraz si³ê inicjacji utraty spójnoœci kompozytu. Ponadto wyznaczono obszar zniszczenia ultradÿwiêkow¹ metod¹ echa. Zauwa- ono, e uk³ady jednokierunkowe charakteryzuj¹ siê nisk¹ odpornoœci¹ na uderzenia. Uk³ady wielokierunkowe w mezoi makro- skali cechuj¹ siê odpornoœci¹ na udarowe uderzenia skupione w zakresie zastosowanych energii, jednak czêsto trac¹ wewnêtrzn¹ spójnoœæ poprzez powstawanie delaminacji. Ponadto wraz ze wzrostem energii uderzenia wzrasta obszar zniszczenia w laminatach epoksydowo-wêglowych. RESISTANCE OF CARBON-EPOXY LAMINATES TO LOW-VELOCITY IMPACT Summary. Carbon-epoxy laminates are modern construction materials used primarily in aerospace due to high mechanical properties in relation to density. During operation, besides strength properties great importance has resistance to impact, including the low-velocity impact. With sufficiently low energies of impact loss of cohesion inside structure is created in the form of delaminations which are invisible in the macroscopic assessment of elements. The laminates response to low velocity impact of carbon-epoxy laminates using hemispherical tipped impactor (diameter 38.1 mm) were analyzed. Laminates with different layers configurations were manufactured by autoclave method with unidirectional prepreg tapes. Impact energies in the range 1.5-5 J were applied. Diagram of changes of force at the time were determined, maximum and also first crack initiation forces. Furthermore impact damage zone was designated with ultrasonic methods. It was noted that unidirectional layouts have no practical impact resistance. multidirectional systems in meso- and macro-scale is characterized by resistance to impact the energy used, but often lose their internal cohesion in the form of delaminations. Moreover, with increasing impact energy is increasing generated damage area. 1. Wprowadzenie Kompozyty polimerowo-w³ókniste s¹ nowoczesnymi materia³ami konstrukcyjnymi, które przede wszystkim cechuj¹ siê wysok¹ wytrzyma³oœci¹ w³aœciw¹. Aktualnie najszerzej stosowanymi przede wszystkim w przemyœle lotniczym, okrêtowym i motoryzacyjnym s¹ laminaty o osnowie ywic epoksydowych z w³óknami szklanymi, aramidowymi oraz wêglowymi jako zbrojeniem [1]. Najwy sze w³aœciwoœci mechaniczne charakteryzuj¹ kompozyty epoksydowo-wêglowe (CFRP), których wysok¹ jakoœæ i oczekiwane w³aœciwoœci zapewnia autoklawowa metoda wytwarzania laminatów [2] (Jednoczesne dzia³ania ciœnienia zewnêtrznego, podciœnienia w worku pró - niowym i temperatury eliminuje ze struktury wady w postaci nadmiernej porowatoœci i delaminacji oraz zapewnia uzyskanie za³o onego udzia³u objêtoœciowego w³ókien i osnowy). Istnieje wiele krajowych i zagranicznych publikacji oraz opracowañ opisuj¹cych w sposób jakoœciowy i iloœciowy w³aœciwoœci tych materia³ów lub charakter ich degradacji w czasie eksploatacji. Nieznaczna jednak ich czêœæ dotyczy odpornoœci tych laminatów na udarowe uderzenia skupione przy niskich prêdkoœciach. Okazuje siê jednak, e uderzenia szczególnie przy niskich prêdkoœciach (<10 m/s) i ma³ych energiach powoduje utratê spójnoœci wewnêtrznej laminatów (np. epoksydowo-wêglowych) czêsto niewidocznej na powierzchni materia³u [3]. Wymagania stawiane materia³om kompozytowym w czasie eksploatacji wykluczaj¹ tolerancjê na wystêpuj¹ce i propaguj¹ce delaminacje. Dlatego te wa ne jest aby kszta³towaæ w³aœciwoœci laminatów epoksydowo-wêglowych w sposób zapewniaj¹cy ich odpornoœæ na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach i energiach. 2. Materia³ i metodyka badañ Do wytworzenia laminatów u yto jednokierunkowej preimpregnowanej taœmy epoksydowo-wêglowej (Hexcel, USA) w³ókna wêglowe AS7J12K w osnowie ywicy epoksydowej (gruboœæ pojedynczej warstwy po utwar-

206 Patryk JAKUBCZAK* 1, Jaros³aw BIENIAŒ 1, Krzysztof DRAGAN 2 dzeniu 0,13 mm). Laminaty wytworzono w nastêpuj¹cych konfiguracjach: 1. CFRP (0) 8 2. CFRP (0/90) 8 3. CFRP (±45) 8 4. CFRP (0) 12 5. CFRP (0/90) 12 6. CFRP (±45) 12 Kompozyt epoksydowo-wêglowy wytworzono metod¹ autoklawow¹ wg schematu przedstawionego na rysunku 1. Parametry procesu: ciœnienie 0,4 MPa, podciœnienie -0,081 MPa, temperatura utwardzania 130 C, nagrzewanie i ch³odzenie 2 C/min, czas utwardzania 2 godziny. Rys. 1. Schemat procesu powstawania struktury kompozytowej [1] Próbki o wymiarach 150 100 mm poddano badaniu odpornoœci na uderzenia w temperaturze pokojowej. Wykorzystano m³ot spadowy INSTRON 9340, z pó³kulistym bijakiem o œrednicy 1,5" (38,1 mm). Badanie przeprowadzono zgodnie z norm¹ ASTM D7136 [4] przy trzech ró - nych energiach: 1,5, 2,5 i 5 J. Po uderzeniu kompozyty poddano ocenie makroskopowej i nieniszcz¹cym badaniom ultradÿwiêkowym na urz¹dzeniu MAUS System. 3. Wyniki i dyskusja Na rysunku 2 przedstawiono wykres si³a-czas (f-t) przy uderzeniu udarowym laminatów CFRP w zale noœci od liczby warstw, uk³adów w³ókien i poziomów energii: (a) 1,5, (b) 2,5, (c) 5 J. Ka da z przedstawionych krzywych charakteryzuje siê wzrostem si³y w czasie, osi¹gniêciem si³y maksymalnej (P max ) oraz oraz spadkiem si³y w czasie. W pierwszej fazie procesu dominuj¹c¹ rolê odgrywa sztywnoœæ materia³u. W dalszym etapie nastêpuje penetracja i dynamiczna propagacja zniszczenia struktury kompozytowej. Krzywe f-t w wielu przypadkach charakteryzuj¹ siê jednorodnym przebiegiem, podobnie jak w wielu innych badaniach [3,5]. Zaobserwowane wahania (piki zaburzaj¹ce p³ynnoœæ krzywych) w pocz¹tkowym okresie odpowiadaj¹ drganiom uk³adu i materia³u, w dalszym etapie kolejnym uszkodzeniom materia³u. Rozpatrywane pojedynczo maj¹ rozmiar w skali mikro (pêkniêcia pojedynczych w³ókien, pêkniêcia miêdzy warstwami, stopniowe pêkanie osnowy). Jednym z charakterystycznych punktów krzywej jest punkt (P i ) nag³ego spadku si³y, który czêsto jest rozpatrywany jako zdolnoœæ materia³u do przenoszenia uderzenia udarowego o okreœlonej energii i jednoczesny pocz¹tek jego degradacji [6,7]. Wartoœci si³y inicjacji (P i ) s¹ niewyznaczalne dla wszystkich uk³adów i energii. Te, w których wartoœæ jest jednoznaczna zauwa ono, e s¹ to wartoœci w zakresie 50-75% si³y maksymalnej. Porównuj¹c poszczególne uk³ady przy uderzeniu z okreœlon¹ energi¹ mo na zauwa yæ, e uk³ady (0/90) i (±45) nie ró ni¹ siê znacz¹co odpornoœci¹ na uderzenia. Natomiast uk³ady o jednokierunkowym uk³adzie w³ókien zbroj¹cych (0) charakteryzuje siê ma³¹ odpornoœci¹ na uderzenia udarowe (wahania si³y w czasie wystêpuj¹ od pocz¹tku jej przy³o enia) (Rys. 2A). Podobnie wartoœæ si³y maksymalnej jest ponad po³owê ni sza w stosunku do pozosta³ych uk³adów. Wartoœæ si³y maksymalnej dla tego uk³adu odgrywa minimaln¹ rolê w stosunku do pozosta³ych uk³adów. Stwierdzono, e kompozyt uleg³ zniszczeniu wzd³u kierunku u³o enia w³ókien ju przy energii 1,5 J co potwierdza e na odpornoœæ na uderzenia w tym przypadku wp³ywa g³ównie osnowa ywica epoksydowa. Ze wzglêdu na charakter uszkodzenia przy najmniejszej wartoœci energii laminatów jednokierunkowych nie poddano pozosta³ym próbom. W tabeli 1 przedstawiono wartoœci P max dla badanych kompozytów epoksydowo-wêglowych. Tabela 1. Wartoœci si³y maksymalnej (Pmax) i si³y inicjacji (Pi) przy uderzeniu udarowym konfiguracja (0) 8 (0) 12 (0/90) 8 (0/90) 12 (±45) 8 (±45) 12 si³a [N] energia [J] P max P max P max P max P max P max 1, 80 115 181 220 180 220 2, 263 315 247 303 377 466 396 467 Wartoœci si³y maksymalnej dla badanych kompozytów epoksydowo-wêglowych ró ni¹ siê w zale noœci od poszczególnych uk³adów oraz liczby warstw. (Rys. 2, Tabela 1). Inicjacja zniszczenia kompozytu roœnie wraz ze wzrostem energii, przy czym wzrost ten jest silnie nieliniowy. Najwy sz¹ odpornoœci¹ na uderzenia charakteryzuj¹ siê uk³ady (0/90) 12 oraz (±45) 12, najni sz¹ uk³ad jednokierunkowy (tabela 1).

Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach 207 A 1, B 2, C Rys. 2. Reprezentatywne wykresy si³a-czas dla laminatów CFRP przy próbie na impact (A 1,, B 2,, C ) Rysunek 3 przedstawia obszar wewnêtrznego zniszczenia po uderzeniu udarowym wybranych laminatów epoksydowo-wêglowych. Amplitudowy obraz t³umienia fal ultradÿwiêkowych w sposób rzeczywisty odwzorowuje kszta³t uszkodzenia. Ponadto zaobserwowano kierunkowy charakter tworzenia siê uszkodzenia (wzd³u kierunku u³o enia w³ókien), co potwierdza w swoich badaniach laminatów metalowo-w³óknistych Liaw i wspó- ³autorzy [9]. Wielkoœæ obszaru uszkodzeñ wybranych laminatów epoksydowo-wêglowych przedstawia rysunek 4. Analiza pól powierzchni uszkodzeñ poszczególnych laminatów wskazuje na zale noœæ miêdzy wielkoœci¹ uszkodzenia wewnêtrznego a energi¹ uderzenia. Wraz ze wzrostem energii uderzenia niemal liniowo wzrasta pole powierzchni uszkodzenia. Podobn¹ zale noœæ otrzymali Hosseinzadeh i wspó³autorzy [10]. Nie stwierdzono natomiast wyraÿnej zale noœci wielkoœci pola powierzchni uszkodzenia w stosunku do liczby warstw w kompozycie. Rys. 4. Obszar uszkodzenia po uderzeniu udarowym laminatów epoksydowo-wêglowych w zale noœci od energii uderzenia.

208 Patryk JAKUBCZAK* 1, Jaros³aw BIENIAŒ 1, Krzysztof DRAGAN 2 CFRP (±45) 8 CFRP (±45) 12 1,5 J CFRP (0/90) 8 CFRP (0/90) 12 1,5 J Rys. 3. Strefa zniszczenia po uderzeniu udarowym wybranych laminatów epoksydowo-wêglowych 4. Wnioski Na podstawie przedstawionych badañ odpornoœci na uderzenia przy niskich prêdkoœciach laminatów epoksydowo-wêglowych mo na stwierdziæ, e: odpornoœæ laminatów epoksydowo-wêglowych zale- y od liczby warstw kompozytu. Wraz ze wzrostem liczby warstw wzrasta odpornoœæ na uderzenia, kierunek u³o enia poszczególnych warstw laminatu wp³ywa na odpornoœæ na uderzenia udarowe. Od-

Odpornoœæ kompozytów epoksydowo-wêglowych na uderzenia udarowe przy niskich prêdkoœciach 209 pornoœæ na uderzenia skupione uk³adów jednokierunkowych ogranicza siê jedynie do w³aœciwoœci zwi¹zanych z osnow¹. Najwiêksza odpornoœæ na uderzenia maj¹ uk³ady o ró nokierunkowym uk³adzie w³ókien, wielkoœæ obszaru uszkodzenia wewnêtrznego po uderzeniu wzrasta niemal liniowo ze wzrostem energii uderzenia nie przekraczaj¹cych wartoœci powoduj¹cych uszkodzenie zewnêtrzne. Podziêkowania: Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym, Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt wspó³finansowany przez Uniê Europejsk¹ ze œrodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Literatura: 1. Hodgkinson J.M.; Mechanical testing of advanced fibre composites, Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, 2000. 2. Surowska B., Bieniaœ J. Wytwarzanie kompozytów metod¹ autoklawow¹ i ocena ich jakoœci, konferencja Kompozyty i Polimery Konstrukcyjne, Olsztyn 2011. 3. Sohn M.S., Hua X.Z., Kimb J.K., Walker L.: Impact damage characterization of carbon fiber/epoxy composites with multi-layer reinforcement. Composites: Part B 2000, nr 31, s. 681-691. 4. ASTM D7136, Standard test method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced-Polymer matrix Composites to a Drop-Weight Impact event, Book of Standards 2005, Volume 15.03. 5. Sayer M., Bektas N.B., Sayman O.: An experimental investigation on the impact behavior of hybrid composite plates. Composite Structures 2010, nr 92, s. 1256 1262 6. 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) 772 781. 7. Lawcock G. D., YeL., Maia Y. W., Sun C. T.: Effects of fibre/matrix adhesion on Carbon-fibre-reinforced metal laminates-ii. Impact behaviour. Composites Science and Technology 57 (1997) 1621-1628. 8. 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. 357-374. 9. Liaw B.M., Liu Y.X., Villars E.A.: Impact Damage Mechanisms in Fiber Metal Laminates, Proceedings of the SEM Annual Cenference on Experimental and Applied Mechanics, Portland, Oregon. 10. Hosseinzadeh R., Shokrieh M.M., Lessard L.: Damage behavior of fiber reinforced composite plates subjected to drop weight impacts, Composites Science and Technology 2006, Nr 66, s. 61 68.