Badanie kompozytów

W próbie rozciągania kompozytu wyznacza się charakterystykę elastyczną modułu sprężystości i współczynnika Poissona oraz wytrzymałość na rozciąganie w głównych kierunkach materiałowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem.

• Najpopularniejszymi metodami badań rozciągania kompozytów są ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039 jak EN 2561 i EN 2597.
• Norma fabryczna Airbusa AITM1-0007 zawiera warunki badawcze zarówno dla prób rozciągania wielokierunkowych laminatów bez karbu, jak i dla prób rozciągania z karbem w celu określenia wytrzymałości Open Hole Tension (OHT) i Filled Hole Tension (FHT). Próby rozciągania Open Hole i Filled Hole przeprowadza się głównie w zastosowaniach lotniczych i kosmicznych w celu określenia współczynników redukcyjnych dla wielokierunkowych laminatów pod obciążeniem rozciągającym z otwartym lub zamkniętym otworem. Inne znormalizowane metody badań służące do określania wytrzymałości na rozciąganie Open Hole i Filled Hole to ASTM D5766 i ASTM D6742.

W badaniu na ściskanie kompozytów określa się moduł sprężystości i wytrzymałość na ściskanie w głównych kierunkach materiałowych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem. Ponieważ wytrzymałość laminatu na ściskanie w kierunku włókien jest często niższa niż wytrzymałość na rozciąganie, a rodzaje uszkodzeń laminatu FRP są bardzo różne pod obciążeniem rozciągającym i ściskającym, próba ściskania odgrywa ważną rolę w badaniu kompozytów.

Dostępnych jest wiele metod i norm, badawczych dotyczących badania ściskania kompozytów , przy czym rozróżnia się trzy zasady stosowania obciążenia:

• Próba ściskania z przyłożeniem siły czołowej zgodnie z ASTM D695, DIN EN 2850 Typ B i Boeing BSS 7260 Typ III i IV
• Próba ściskania z przyłożeniem siły poprzez ścinanie (Shear Loading) zgodnie z ASTM D3410, ISO 14126 Metoda 1, DIN EN 2850 Typ A i Airbus AITM1-0008 typ próby A
• Próba ściskania z kombinowanym przyłożeniem siły (Combined Loading) zgodnie z ASTM D6641, ISO 14126 Metoda 2, i Airbus AITM1-0008 typ próby A

Oprócz wspomnianych powyżej metod badawczych służących do określania właściwości ciśnieniowych laminatów bez karbu, istnieją znormalizowane próby ściskania z karbem kompozytów do określenia Open Hole Compression (OHC) zgodnie z ASTM D6484 i Filled Hole Compression (FHC) zgodnie z ASTM D6742.
Wraz z wartościami charakterystycznymi ściskania laminatu bez karbu można następnie określić odpowiednie współczynniki redukcyjne dla laminatów wielokierunkowych pod obciążeniem ściskającym. Badania ściskania z karbem są również opisane w normach branżowych Airbus AITM1-0008 typ próby B, D i C, jak i w Boeing BSS 7260 Typ I.

W badaniu na ścinanie kompozytów określa się właściwości ścinania w płaszczyźnie tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami, takie jak moduł ścinania i wytrzymałość na ścinanie. W przypadku materiałów FRP o różnych właściwościach w głównych kierunkach materiału moduł sprężystości na ścinanie należy zawsze określać za pomocą własnych badań ścinania i nie można go obliczyć na podstawie innych charakterystyk sprężystości, jak ma to miejsce w przypadku materiałów izotropowych.

Ustalono 3 różne metody badań w celu określenia wartości charakterystycznych ścinania i właściwości ścinania:

• Badanie na rozciąganie z ±45° laminatem zgodnie z ISO 14129, ASTM D3518 i Airbus AITM1-0002
• V-Notched Beam (Iosipescu) Badanie na ścinanie zgodnie z ASTM D5379
• V-Notched Rail Badanie na ścinanie zgodnie z ASTM D7078

Do próby rozciągania z laminatem ±45° (In plane shear test) można zastosować tę samą konfigurację badania, co do próby rozciągania. Jednakże rejestracja wydłużenia poprzecznego, oprócz wydłużenia wzdłużnego, jest niezbędna do obliczenia wydłużenia ścinającego.

Do Iosipesu i badania na ścinanie V-Notched Rail wymagane są próbki z karbem i odpowiednie urządzenia badawcze. Tutaj również wymagany jest dwuosiowy pomiar wydłużenia. Często stosuje się tensometry dwuosiowe (DMS). Alternatywnie odkształcenie można zmierzyć za pomocą Digital Image Correlation (DIC).
W badaniu na ścinanie z karbem V można również określić wartości charakterystyczne ścinania Out-of-Plane, jeśli dostępne są laminaty o odpowiedniej grubości.

Ze względu na stosunkowo prostą konfigurację testu, geometrię i produkcję próbki badanej, a także wykonanie badania, próby zginania kompozytów są często stosowane w celu zapewnienia jakości lub do szybkiego porównywania materiałów. Rozróżnia się próby zginania 3- i 4-punktowego. Typowe, znormalizowane metody badań zginania tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami to:

• 3- i 4-punktowe badanie na zginanie zgodnie z ISO 14125 i ASTM D7264
• 3-punktowe badanie na zginanie zgodnie z EN 2562, EN 2746 i ASTM D790
• 4-punktowe badanie na zginanie zgodnie z ASTM D6272

Jeżeli cała konfiguracja badawcza jest wystarczająco sztywna lub jeśli elastyczność konfiguracji badawczej można określić i skorygować w oprogramowaniu badawczym, często dopuszczalne jest wykorzystanie drogi maszyny maszyny wytrzymałościowej w 3-punktowym badaniu zginania.
Jednakże w przypadku 4-punktowej próby zginania konieczny jest pomiar ugięcia w środku próbki za pomocą odpowiedniego układu pomiaru drogi.

Badanie mające na celu określenie międzywarstwowej wytrzymałości na ścinanie (Interlaminar Shear Strength – ILSS Test) jest jednym z najczęściej przeprowadzanych badań statycznych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami i jest często stosowane w zapewnianiu jakości. Wymagana jest tylko bardzo mała próbka, przeprowadzenie badania jest szybkie i łatwe, a do oceny istotna jest tylko maksymalna siła określona w badaniu.

Ustalone normy badawcze dla testu ILSS ISO 14130, EN 2377, EN 2563 i ASTM D2344.

Wszystkie 4 normy opisują prostokątną próbkę do badań, ale czasami używają różnych wymiarów długości, szerokości i grubości próbki. ASTM D2344 opisuje również zakrzywioną próbkę badawczą, którą np. można wyjąć ze zbiornika ciśnieniowego lub ściany rury.

Urządzenie badawcze używane do testu ILSS musi być w stanie spełnić bardzo małe specyfikacje tolerancji w konfiguracji testu wymaganej przez normy badawcze.

Krytyczną szybkość uwalniania energii i szybkość uwalniania energii podczas stałego wzrostu rysy określa się za pomocą metod badania mechaniki pękania, aby zrozumieć zachowanie laminatów kompozytowych podczas rozwarstwiania. Do wykonania próbek potrzebny jest laminat, w którym w środkowej płaszczyźnie laminatu tworzy się sztuczne pęknięcie za pomocą bardzo cienkiej i nieprzylepnej folii z tworzywa sztucznego (często stosuje się folie teflonowe).

W szczególności prowadzone są metody badań z narastaniem pęknięć wywołanych obciążeniami rozciągającymi prostopadłymi do powierzchni pęknięcia (tryb I) oraz metody badań z narastaniem pęknięć spowodowanymi obciążeniami ścinającymi w przekroju laminatu (tryb II). Aby skalibrować metody numeryczne do obliczania propagacji pęknięć w laminacie, istnieje dodatkowa procedura badawcza dla obciążenia mieszanego Mixed Mode I+II:

• Mode I jako Double Cantilever Beam (DCB) Test zgodnie z ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM1-0005 i Boeing BSS 7273
• Mode II jako End-Notched Flexure (ENF) Test zgodnie z ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM1-0006 i Boeing BSS 7273
• Mode II jako Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) Test zgodnie z ISO 15114
• Mixed Mode I+II jako Mixed-Mode Bending (MMB) Test zgodnie z ASTM D6671

Compression After Impact (CAI) Test o metoda badawcza służąca do określenia resztkowej wytrzymałości na ściskanie laminatu po uszkodzeniu udarowym. Badana próbka jest wstępnie uszkodzona energią uderzenia określoną w odpowiedniej normie badawczej. Procedura ta pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat tolerancji uszkodzeń laminatu kompozytowego w celu zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności elementów, szczególnie w konstrukcjach kompozytowych obciążonych potencjalnie uderzeniami w lotnictwie.

Dla testu CAI ustalono następujące znormalizowane procedury badawcze: ASTM D7136 i ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 i Boeing BSS 7260 type II.

Oprócz właściwości mechanicznych samych laminatów z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem, badania mające na celu określenie wytrzymałości połączeń są również wymagane przy rozplanowaniu i projektowaniu konstrukcji kompozytowych.

Stosowane w tym celu znormalizowane procedury badawcze można z grubsza podzielić na trzy obszary:

• Wytrzymałość połączeń klejonych (Lap Shear Test) zgodnie z ASTM D5868, EN 6060 i Airbus AITM1-0019
• Wytrzymałość połączeń śrubowych lub skręcanych i badanie łożysk otworowych pod obciążeniem w płaszczyźnie laminatu zgodnie z ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM1-0009, AITM1-0065 i AITM1-0067
• Badania przeciągania śrub i nitów (Pull-through) przy obciążeniu normalnym do powierzchni laminatu zgodnie z ASTM D7332 i Airbus AITM1-0066

Aby określić zachowanie zmęczeniowe laminatów kompozytowych i wyprowadzić krzywe Wöhlera, przeprowadza się przede wszystkim dynamiczne badania cykliczne pod progowymi obciążeniami rozciągającymi. Znormalizowanymi dynamicznymi badaniami kompozytów są ASTM D3479 i ISO 13003. ISO 13003 opisuje również badanie zmęczeniowe kompozytu pod dynamicznym cyklicznym obciążeniem zginającym.

Dalej znormalizowanymi dynamicznymi metodami badawczymi kompozytów są:

• Open Hole Tension i Open Hole Compression Fatigue zgodnie z ASTM D7615
• Wzrost pęknięć międzywarstwowych pod obciążeniem zmęczeniowym trybu I zgodnie z ASTM D6115
• Badania zmęczeniowe połączeń śrubowych i dynamiczne badania łożysk otworowych według ASTM D6873 i Airbus AITM1-0074
• Airbus AITM1-0075 zawiera podsumowanie informacji na temat przeprowadzania testów ILSS, ILTS, OHT i OHC, FHT i FHC, Pull-Through, CAI i Lap-Shear Fatigue.