Zkoušení kompozitů

Zkoušky tahem kompozitů se používají ke stanovení modulu pružnosti v tahu a Poissonova poměru, jakož i pevnosti v tahu v hlavních směrech materiálů z plastů vyztužených vlákny.

• Nejběžnější zkušební metody pro zkoušky tahem kompozitů jsou ISO 527-4 a ISO 527-5, ASTM D3039 nebo EN 2561 a EN 2597.
• Korporátní norma Airbus AITM 1-0007 obsahuje požadavky na zkoušky tahem vícesměrných laminátů bez vrubů i s vruby, stejně jako stanovení pevnosti v tahu v otevřeném otvoru (OHT) a tahu ve vyplněném otvoru (FHT). Zkoušky tahem s otevřeným a s vyplněným otvorem se provádějí především pro letecké aplikace kvůli stanovení redukovaných součinitelů pro vícesměrné lamináty. Dalšími standardizovanými zkušebními metodami pro stanovení pevnosti v tahu s otevřeným a vyplněným otvorem jsou ASTM D5766 a ASTM D6742.

Zkoušky tahem kompozitů se používají ke stanovení modulu pružnosti v tlaku a pevnosti v tlaku v hlavních směrech materiálů z plastů vyztužených vlákny. Vzhledem k tomu, že pevnost v tlaku ve směru vláken laminátu je často menší než pevnost v tahu a způsoby porušení laminátu FRP při zatížení tahem a tlakem jsou velmi odlišné, hraje zkouška tlakem při zkoušení kompozitů důležitou roli.

Pro zkoušky tlakem kompozitů je k dispozici celá řada zkušebních metod a standardů, přičemž se rozlišují tři principy působení zatížení:

• Zkouška tlakem při čelním zatížení podle norem ASTM D695, DIN EN 2850 typ B nebo Boeing BSS 7260 typ III a IV
• Zkouška tlakem při smykovém zatížení podle ASTM D3410, ISO 14126 metoda 1, EN 2850 typ A a Airbus AITM 1-0008, typ vzorku A
• Zkouška tlakem s kombinovaným zatížením podle ASTM D6641, ISO 14126 metoda 2 a Airbus AITM 1.0008 typ vzorku A

Kromě výše uvedených zkušebních metod pro stanovení hodnot pevnosti v tlaku laminátů bez vrubů existují normalizované vrubové zkoušky kompozitů pro stanovení pevnosti v tlaku v otevřeném otvoru (OHC) podle normy ASTM D6484 a pevnosti v tlaku ve vyplněném otvoru (FHC) podle normy ASTM D6742.
Společně s vlastnostmi laminátu bez vrubů v tlaku lze pak určit odpovídající redukované součinitele pro vícesměrné lamináty při tlakovém zatížení. Zkoušky tlakem s vrubem jsou dále popsány v průmyslových normách Airbus AITM 1.0008 pro typy vzorků B, D a C a Boeing BSS 7260 pro typ I.

Smykové zkoušky kompozitů se používají ke stanovení smykových charakteristik plastů vyztužených vlákny v rovině, jako je modul pružnosti a pevnost ve smyku. U materiálů vyztužených vlákny s různými charakteristickými hodnotami v hlavních směrech materiálu se modul pružnosti ve smyku musí vždy stanovit pomocí samostatných zkoušek ve smyku a nelze jej vypočítat z jiných elastických charakteristických hodnot, jako je tomu například u izotropních materiálů.

Pro stanovení smykových charakteristik a smykového chování byly zavedeny tři různé zkušební metody:

• Zkouška tahem laminátu pod úhlem ±45° podle ISO 14129, ASTM D3518 a Airbus AITM 1-0002
• Zkoušky smykem na tělesech s vrubem (Iosipescu) podle ASTM D5379
• Zkoušky smykem na vroubkovaných tělesech s vrubem podle ASTM D7078

Pro zkoušku tahem laminátu pod úhlem ±45° (zkouška smykem v rovině) lze použít stejné zkušební uspořádání jako pro tahové zkoušky. Pro výpočet smykové deformace je však kromě axiální deformace nutné zaznamenat i deformaci příčnou.

Pro zkoušku podle Iosipescu a zkoušku smyku vroubkovaných těles s vrubem jsou zapotřebí zvláštní zkušební přípravky. I zde je nutné měřit deformaci ve dvou osách. Často se používají dvouosé tenzometry. Deformace se nechá měřit také pomocí digitální obrazové korelace (DIC).
Zkoušku smykem vrubovaných těles lze použít také ke stanovení hodnot smyku mimo rovinu, pokud jsou k dispozici lamináty s odpovídající tloušťkou.

Vzhledem k poměrně jednoduchému uspořádání zkoušky, geometrii vzorku a procesu obrábění, jakož i efektivitě metody, se zkoušky ohybem kompozitů často používají při kontrole kvality pro rychlé porovnávání materiálů. Rozlišujeme zkoušky 3- a 4bodovým ohybem. Běžné standardizované zkušební metody pro zkoušky ohybem plastů vyztužených vlákny jsou:

• 3- a 4bodová zkouška ohybem podle ISO 14125 a ASTM D7264
• Zkouška 3bodovým ohybem podle EN 2562, EN 2746 a ASTM D790
• Zkouška 4bodovým ohybem podle ASTM D6272

Pokud je tuhost celého zkušebního uspořádání dostatečná nebo pokud lze poddajnost zkušebního uspořádání určit a korigovat pomocí zkušebního softwaru, připouští se často měření průhybu při 3bodovém ohybu z dráhy posuvu příčníku.
Při zkoušce 4bodovým ohybem se naproti tomu průhyb vzorku měří v jeho středu a je vyžadován vhodný snímač dráhy.

Zkouška pro stanovení interlamelární pevnosti ve smyku (ILSS) je jednou z nejčastěji prováděných statických zkoušek plastů vyztužených vlákny a používá se při kontrole kvality. Je zapotřebí pouze poměrně malý vzorek, samotná zkouška je rychlá a snadno proveditelná a pro účely hodnocení je důležité určit pouze maximální sílu.

Zavedené normy pro zkoušku ILSS jsou ISO 14130, EN 2377, EN 2563 a ASTM D2344.

Všechny čtyři normy definují vzorek obdélníkového tvaru, mohou se však používat různé rozměry délky, šířky a tloušťky. Norma ASTM D2344 navíc popisuje zakřivený vzorek, například vzorek odebraný z tlakové nádoby nebo stěny potrubí.

Zkušební přípravek používaný pro zkoušku ILSS musí splňovat velmi přísné tolerance zkušebního uspořádání stanovené normami.

Kritická rychlost uvolňování energie a rychlost uvolňování energie během stabilního růstu trhliny jsou stanoveny pomocí metod lomové mechaniky, aby bylo možné pochopit chování kompozitních laminátů při delaminaci. K výrobě vzorku je zapotřebí laminát, ve kterém je v jeho střední rovině uměle vytvořena trhlina pomocí velmi tenké a nepřilnavé plastové fólie (často se používá teflonová fólie).

Nejčastější metodou je zkouška růstu trhliny tahovým zatížením kolmo k povrchu trhliny (mód I) a zkouška růstu trhliny smykovým zatížením průřezu laminátu (mód II). Pro kalibraci numerických metod k výpočtu šíření trhlin v laminátu existuje další zkušební metoda smíšeného zatížení v režimu I + II:

• Mód I jako zkouška dvojitého konzolového nosníku (DCB) podle ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 a Boeing BSS 7273
• Mód II jako zkouška ohybem na čelo (ENF) podle ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 a Boeing BSS 7273
• Mód II jako kalibrovaná zkouška s čelním zatížením (C-ELS) podle ISO 15114
• Smíšený mód I+II jako zkouška ohybem (MMB) podle ASTM D6671

Zkouška tlakem po rázu je zkušební metoda používaná ke stanovení zbytkové pevnosti v tlaku laminátu po poškození nárazem. Zkušební těleso se nejprve předem poškodí rázem energií specifikovanou podle příslušné zkušební normy. Tato metoda umožňuje vyvodit závěry o odolnosti kompozitního laminátu vůči poškození s cílem zajistit bezpečnost a spolehlivost součástí, zejména u potenciálně rázového zatěžování konstrukcí v leteckém průmyslu.

Pro zkoušky CAI byly zavedeny následující zkušební metody: ASTM D7136 a ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 a Boeing BSS 7260 typ II.

Kromě mechanických charakteristik samotných laminátů z plastů vyztužených vlákny se provádějí také zkoušky pro stanovení pevnosti spojů pro účely návrhu a sestavení konstrukcí z kompozitů.

Standardizované zkušební metody používané pro tento účel lze zhruba rozdělit do tří oblastí:

• Pevnost lepeného spoje (zkouška střihem) podle ASTM D5868, EN 6060 a Airbus AITM 1-0019
• Zkoušky pevnosti šroubových či čepových spojů nebo únosnost ložiska se zatížením v rovině laminátu podle ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 a AITM 1-0067
• Odolnost proti vytlačení spojovacích prvků při zatížení kolmém k rovině laminátu podle ASTM D7332 a Airbus AITM 1-0066

Pro stanovení únavového chování kompozitních laminátů a odvození křivek S-N se dynamické cyklické zkoušky běžně provádějí při pulzujícím tahovém zatížení. Používané standardizované dynamické zkoušky kompozitů jsou ASTM D3479 a ISO 13003. Norma ISO 13003 dále popisuje zkoušku únavy kompozitů při dynamickém cyklickém ohybovém zatěžování.

Dalšími standardizovanými metodami dynamického zkoušení kompozitů jsou:

• Únava v tahu a tlaku při otevřeném otvoru podle normy ASTM D7615
• Interlaminární růst trhliny v módu I při únavovém zatížení podle ASTM D6115
• Únavové zkoušky šroubových spojů a dynamické zkoušky únosnosti ložiska podle norem ASTM D6873 a Airbus AITM 1-0074
• Airbus AITM 1-0075 obsahuje souhrnné informace o tom, jak provádět únavové zkoušky ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, protahovací zkoušky, CAI a únavové zkoušky ve smyku.