Preskušanje kompozitov

Natezno preskušanje kompozitov se uporablja za določanje nateznega modula in Poissonovega količnika elastične karakteristične vrednosti, kot tudi natezne trdnosti v glavnih smereh materiala z vlakni ojačenih umetnih mas.

• Najpogostejše preskusne metode za natezne preskuse kompozitov so ISO 527-4 in ISO 527-5, ASTM D3039 ter EN 2561 in EN 2597.
• Airbusov tovarniški standard AITM 1-0007 vključuje preskusne zahteve za natezne preskuse na večsmernih laminatih brez zarez in natezne preskuse z zarezami za določanje natezne trdnosti z uporabo preskusnih metod nateznosti odprte luknje (OHT) in nateznosti napolnjene luknje (FHT). Preskusi napetosti odprtih in napolnjenih lukenj se izvajajo predvsem za aplikacije v vesolju, da se določijo redukcijski faktorji za večsmerne laminate pod natezno obremenitvijo odprtih ali zaprtih lukenj. Druge standardizirane preskusne metode za določanje natezne trdnosti odprte in napolnjene luknje so ASTM D5766 in ASTM D6742.

Tlačni preskusi kompozitov se uporabljajo za določanje tlačnega modula in tlačne trdnosti v glavnih materialnih smereh plastike, ojačane z vlakni. Ker je tlačna trdnost v smeri laminatnih vlaken pogosto manjša od natezne trdnosti in so načini porušitve laminata FRP pod natezno in tlačno obremenitvijo zelo različni, ima tlačni preskus pomembno vlogo pri preskušanju kompozitov.

Za tlačne preskuse kompozitov je na voljo veliko različnih preskusnih metod in preskusnih standardov, pri čemer se razlikuje med tremi načeli uporabe obremenitve:

• Tlačno preskušanje ob končni obremenitvi po ASTM D695, DIN EN 2850 tip B in Boeing BSS 7260 tip III in IV
• Tlačno preskušanje s strižno obremenitvijo to ASTM D3410, ISO 14126 Metoda 1, DIN EN 2850 tip A in Airbus AITM 1-0008 vzorec tipa A
• Tlačni preskus s kombinirano obremenitvijo po ASTM D6641, ISO 14126 Metoda 2, in Airbus AITM 1.0008 vzorec tipa A

Poleg zgoraj omenjenih preskusnih metod za določanje vrednosti tlačenja laminatov brez zareze obstajajo standardizirani tlačni preskusi z zarezo na kompozitih za določanje tlačne trdnosti odprte luknje (OHC) po ASTM D6484 in tlačne trdnosti zapolnjene luknje (FHC) po ASTM D6742.
Skupaj s tlačnimi lastnostmi laminata brez zarez je mogoče nato določiti ustrezne redukcijske faktorje za večsmerne laminate pod tlačno obremenitvijo. Zarezni tlačni preskusi so nadalje opisani v industrijskih standardih Airbus AITM 1.0008 vzorcev tipov B, D in C ter v Boeing BSS 7260 tipa I.

Kompozitni strižni preskusi se uporabljajo za določanje ravninskih strižnih karakteristik plastike, ojačane z vlakni, kot sta strižni modul in strižna trdnost. Za FRP materiale z različnimi karakterističnimi vrednostmi v glavnih smereh materiala je treba strižni modul vedno določiti z ločenimi strižnimi preskusi in ga ni mogoče izračunati iz drugih elastičnih karakterističnih vrednosti, kot na primer pri izotropnih materialih.

Za določanje strižnih lastnosti in strižnega obnašanja so bile vzpostavljene tri različne preskusne metode:

• Natezni preskus s ±45° laminatom po ISO 14129, ASTM D3518 in Airbus AITM 1-0002
• V-zarezni žarek (Iosipescu) strižni preskus po ASTM D5379
• Strižni preskus tirnice z V-zarezo po ASTM D7078

Za natezni preskus z ±45° laminatom (ravninski strižni preskus) se lahko uporabi ista preskusna postavitev, ki se uporablja za natezne preskuse. Za izračun strižne deformacije pa je poleg osne deformacije obvezen tudi zapis prečne deformacije.

Za Iosipescujev in V-zarezni strižni preskus tirni so potrebni vzorci z zarezami in ustrezne preskusne naprave. Tukaj je potrebna tudi dvoosna meritev deformacije. Pogosto se uporabljajo dvoosni merilniki napetosti. Druga možnost je, da se deformacija izmeri s korelacijo digitalne slike (DIC).
Strižni preskus z v-zarezo se lahko uporabi tudi za določanje vrednosti striženja zunaj ravnine, če so na voljo laminati z ustrezno debelino.

Zaradi sorazmerno enostavne preskusne razporeditve, geometrije vzorca in postopka obdelave ter izvedbe preskusa se upogibni preskusi na kompozitih pogosto uporabljajo pri zagotavljanju kakovosti za hitre primerjave materialov. Razlikujemo med 3- in 4-točkovnimi upogibnimi preskusi. Običajne standardizirane preskusne metode za upogibne preskuse plastike, ojačane z vlakni, so:

• 3- in 4-točkovni upogibni preskus po ISO 14125 in ASTM D7264
• 3-točkovni upogibni preskus po EN 2562, EN 2746 in ASTM D790
• 4-točkovni upogibni preskus po ASTM D6272

Če je togost celotne preskusne razporeditve zadostna ali če je upogljivost v preskusni razporeditvi mogoče določiti in popraviti v programski opremi za preskušanje, je pri 3-točkovnem upogibnem preskusu pogosto dovoljena uporaba razdalje poti stroja.
Po drugi strani pa 4-točkovni upogibni preskus zahteva merjenje upogiba v središču vzorca z ustreznim sistemom za merjenje premika.

Preskus za določanje interlaminarne strižne trdnosti (ILSS) je eden najpogosteje izvajanih statičnih preskusov z vlakneno ojačano plastiko in se pogosto uporablja pri zagotavljanju kakovosti. Potreben je le razmeroma majhen vzorec, sam preskus je hiter in enostaven za izvedbo, za ocenjevanje pa je pomembna le največja sila, določena pri preskusu.

Uveljavljeni preskusni standardi za preskus ILSS so ISO 14130, EN 2377, EN 2563 in ASTM D2344.

Vsi štirje standardi opisujejo vzorec pravokotne oblike, vendar lahko uporabljajo različne dimenzije za dolžino, širino in debelino vzorca. ASTM D2344 dodatno opisuje ukrivljen vzorec, kot je vzorec, vzet iz tlačne posode ali stene cevi.

Preskusna naprava, ki se uporablja za preskus ILSS, mora biti sposobna izpolnjevati zelo nizke tolerance preskusne razporeditve, ki jih določajo preskusni standardi.

Kritična hitrost sproščanja energije in hitrost sproščanja energije med enakomerno rastjo razpoke sta določeni z metodami mehanike loma, da bi razumeli obnašanje delaminacije kompozitnih laminatov. Za izdelavo vzorca je potreben laminat, v katerem je v srednji ravnini laminata ustvarjena umetna raztrganina s pomočjo zelo tanke in nelepljive plastične folije (pogosto se uporablja teflonska folija).

Najpogosteje se izvajajo preskusne metode z rastjo razpoke z natezno obremenitvijo pravokotno na površino razpoke (Mode I) in preskusne metode z rastjo razpoke s strižno obremenitvijo v prerezu laminata (Mode II). Za umerjanje numeričnih metod za izračun širjenja razpok v laminatu obstaja dodatna preskusna metoda obremenitve mešanega načina I+II:

• Način I kot preskus dvojnega konzolnega žarka (DCB). po ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 in Boeing BSS 7273
• Način II kot preskus upogibanja z zarezami na koncu (ENF) po ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 in Boeing BSS 7273
• Način II kot preskus umerjanja razcepa s končno obremenitvijo (C-ELS) po ISO 15114
• Mešani način I+II kot upogibni preskus mešanega načina (MMB) po ASTM D6671

Tlačni preskus po udarcu (CAI) je preskusna metoda, ki se uporablja za določanje preostale tlačne trdnosti laminata po poškodbi zaradi udarca. Vzorec, ki ga je treba preskusiti, se predhodno poškoduje z energijami udarca, določenimi v ustreznem preskusnem standardu. Ta metoda omogoča sklepanje o odpornosti kompozitnega laminata na poškodbe, da se zagotovi varnost in zanesljivost komponent, zlasti v kompozitnih strukturah, ki so potencialno obremenjene z udarci v vesoljski industriji.

Za preskus CAI so bile določene naslednje preskusne metode: ASTM D7136 in ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 in Boeing BSS 7260 tip II.

Poleg mehanskih karakteristik samih z vlakni ojačanih plastičnih laminatov se izvajajo tudi preskusi za določanje trdnosti spojev za oblikovanje in načrtovanje kompozitnih struktur.

Standardizirane preskusne metode, ki se uporabljajo v ta namen, je mogoče grobo razdeliti na tri področja:

• Trdnost lepljenja lepil (preskus strižnih prekrivanja) po ASTM D5868, EN 6060 in Airbus AITM 1-0019
• Trdnost vijačnih ali čepnih povezav in preskusi odziva ležajev z obremenitvijo v ravnini laminata po ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 in AITM 1-0067
• Odpor proti vlečenju pritrdilnih elementov z obremenitvijo pravokotno na ravnino laminata v skladu z ASTM D7332 in Airbus AITM 1-0066

Za določitev utrujanja kompozitnih laminatov in izpeljavo S-N krivulj se običajno izvajajo dinamični ciklični preskusi pod pulzirajočo natezno obremenitvijo. Veljavna standardizirana dinamična kompozitna preskusa sta ASTM D3479 in ISO 13003. ISO 13003 dodatno opisuje preskus utrujanja kompozita pod dinamično ciklično upogibno obremenitvijo.

Druge standardizirane metode dinamičnega kompozitnega preskušanja so:

• Nateznost odprte luknje in utrujanje zaradi tlačenja odprte luknje po ASTM D7615
• Rast interlaminarne razpoke pod obremenitvijo na utrujanje načina I po ASTM D6115
• Utrujanje vijačnih povezav in preskusi dinamičnega odziva ležajev po ASTM D6873 in Airbus AITM 1-0074
• Airbus AITM 1-0075 vsebuje povzetek informacij o tem, kako izvajati preskuse ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, vlečenja, CAI in strižne utrujenosti.