ISSN 1318-0010
KZLTET 32(2-4)265 (1998)
ANALIZA VPLIVA ORIENTACIJE OJAAITVENIH VLAKEN NA NATEZNE LASTNOSTI VEAPLASTNIH POLIMERNIH KOMPOZITOV
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF FIBRE ORIENTATION UPON TENSILE PROPERTIES OF MULTIPLE PLY POLYMER
COMPOSITES
ALE[ LAVRIA, I. EMRI
Center za eksperimentalno mehaniko, Fakulteta za strojni{tvo, Cesta na Brdo 49, 1000 Ljubljana
Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19
V inenirskih aplikacijah imajo pomembno mesto slojevito oja-ani poliestrski kompoziti, ki jih izdelujejo "ro-no". Pomembna lastnost teh kompozitov je, da lahko lokalno spreminjamo njihove mehanske lastnosti z volumskim deleem vlaken, s {tevilom oja-itvenih plasti in njihovo orientiranostjo. Tako lahko dose'emo optimalne mehanske lastnosti nekega konstrukcijskega elementa ali konstrukcije. V -lanku je predstavljena analiza vpliva navedenih parametrov na natezne lastnosti kompozitnega materiala. Podane bodo smernice, s katerimi lahko tehnolog na enostaven na-in predpi{e na-in laminiranja glede na lokalno napetostno oziroma deformacijsko stanje, dolo-eno z metodo kon-nih ali robnih elementov.
Klju-ne besede: kompoziti, steklena vlakna, poliester, natezni test
Multi-ply polyester composites manufactured "manually" have taken an important position in engineering applications. An significant feature of these composites is that their mechanical properties can be changed locally, by way of their fiber volume fraction, ply number and ply arrangement. Optimum mechanical properties of a structural element or a structure can be achieved in this way. The paper presents the analysis of the influence of the mentioned parameters upon tensile properties of composite material. Guidelines will be given, by means of which an engineer can easily prescribe the lamination model with regard to local stress or strain condition, determined with the method limit or boundary elements. Key words: composites, woven roving, polyester, tensile test
1 UVOD
Polimerni kompoziti, med njimi ve-plastni polimerni kompoziti, so nepogrešivi konstrukcijski elementi v letalski in vesoljski tehnologiji. Z razvojem tehnologije polimerni kompoziti vse bolj nadome{-ajo klasi-ne konstrukcijske materiale, kot so jekla in aluminijeve zlitine, tudi v vsakdanjem 'ivjjenju. Prednosti polimernih kompozitov so v njihovem odli-nem razmerju med gostoto in nosilnostjo. Imajo odli-ne du{ilne lastnosti, kakor tudi odpornost proti nenadnim obremenitvam. S {iroko paleto polimernih smol lahko izdelamo kompozit, ki je termi-no in/ali korozijsko odporen1.
S steklenimi vlakni armirani poliestrski kompoziti so zelo raz{irjeni zaradi enostavne tehnologije izdelave, ki lahko poteka pri sobni temperaturi in normalnem tlaku, ter poceni materiala. Dobre mehanske lastnosti, ki jih imajo poliestrski armirani kompoziti (natezne, upogibne, du{ilne, ...), lahko {e oplemenitimo s posebnimi smolami. Posebnost teh kompozitov je, da lahko lokalno spreminjamo njihove mehanske lastnosti z volumskim dele'em vlaken, {tevilom oja-itvenih plasti in njihovo orientiranostjo2. Na{tete prednosti poliestrskih laminatov lahko dobro izkoristimo, -e natan-no poznamo njihove lastnosti in konstrukcijske parametre3.
Namen raziskave je bil analizirati vpliv navednih parametrov s steklenimi vlakni oja-anega poliestrskega kompozita pri natezni obremenitvi in podati smernice s
katerimi lahko tehnolog na enostaven na-in predpi{e na-in laminiranja glede na lokalno napetostno oziroma deformacijsko stanje.
2 OPIS EKSPERIMENTA
Ro-na izdelava laminatov s 4, 6, 8 oja-itvenimi plastmi tkanine. Tkanina je bila polo'ena z enako orientacijo, zaradi -esar smo dobili laminate z anizotropnimi lastnostmi4, kot je prikazano na sliki 1. Privzeto je bilo, da ima tkanina v dveh med seboj pravokotnih smereh enake lastnosti.
Plasti tkanine
Anizotropni laminat [0790°]
Slika 1: Orientacija tkanine v anizotropnem laminatu Figure 1: Woven roving orientation in an isotropic laminate
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4
185
A. LAVRIA, I. EMRI: ANALIZA VPLIVA ORIENTACIJE OJAAITVENIH ...
e cjk
to o
-4—' d) Q_ (0
Raztezek e [l/lo]
Slika 3: Izra~unani parametri iz meritve natezne trdnosti
Figure 3: Parametres calcuated from the measured stress-strain data
500
TO 400
55 200 o
a)
CL CB
Slika 2: Orientacija vlaken glede na smer natezne obremenitve Figure 2: Orientation of woven roving due to tensile force
Iz laminatov so bili izrezani preizku{anci dimenzije 260 x 25 mm, pri razli~ni orientaciji vlaken (aI = 0, 15, 30, 45°) glede na smer obremenitve, kot je prikazano na sliki 2.
Oblika preizku{ancev in pogoje meritve dolo~a standard ISO 3268.
Meritve nateznih lastnosti so bile izvedene na univerzalnem preizku{evalnem stroju Zwick 1474. Merjena je bila sila (F) pri danem pomiku (L).
Na podlagi izmerjenih vrednosti za silo in pomik, so bili pri upo{tevanju izmerjene debeline preizku{ancev izra~unani naslednji parametri, ki so prikazani tudi na sliki 3:
•	napetost (g) in raztezek (e) - modul elasti~nosti (Ei,
E2)
•	to~ka kolena (ek, Gk)
•	natezna trdnost (gm)
•	raztezek pri poru{itvi (eM)
•	deformacijsko delo (Wdef)
Za laminate, armirane s tkanino, je pri nateznih obremenitvah zna~ilno pojavljanje kolena. To~ka kolena (eK, GK) se pojavi zaradi po{kodb v vlaknih, pre~nih na smer obremenitve5, kar ima za posledico drasti~en padec elasti~nega modula (E1 -> E2). Ker imamo zato dva modula, za~etni (E1) in kon~ni (E2), je to~ka kolena dolo~ena kot prese~i{~e premic obeh modulov. To~ka kolena oz. koleno pri laminatih predstavlja napetost te~enja (Rp), na podlagi katere se dolo~a dopustna napetost materiala.
loaM
a=0°
a=15°
a=30°
a=45°
0.05 0.1 0.15 Raztezek e [/]
0.2
Slika 4: Krivulje raztezek-napetost za razli~ne orientacije vlaken Figure 4: Stress-strain curves for different fiber orientations
0	15	30	45
Orientacija vlaken a [°] - n=8
Slika 5: Relativne vrednosti parametrov za 8-plastni laminat v odvisnosti od orientacije vlaken
Figure 5: Relative values for 8-plies laminate as function of fiber orientation
3 DISKUSIJA IN SKLEP
Raziskava6 je pokazala, da so natezne mehanske lastnosti laminata, predvsem trdnost in togost, odvisne od orientacije vlaken, kar se vidi po zelo raznolikih oblikah krivulj G-e, kot je prikazano na sliki 4.
w 4	6	8
Število plasti - a=0°
Slika 6: Relativne vrednosti parametrov pri orientaciji a = 0° v odvisnosti od {tevila plasti
Figure 6: Influence of number of reinforced plies upon tensile properties for a = 0° and a = 15°
74
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2
A. LAVRIA, I. EMRI: ANALIZA VPLIVA ORIENTACIJE OJAAITVENIH ...
0	15	30	45
Orientacija vlaken a [°]
Slika 7: Relativna vrednost deformacijskega dela
Figure 7: Relative values of deformation work as function of fiber
orientation
Slika 5 prikazuje sumarni diagram za relativne vrednosti nateznih parametrov za 8-plastni laminat. Poleg vpliva orientacije vlaken se s pove~anjem {tevila plasti, pove~ajo tudi natezne trdnosti za 5% na dodatno oja~itveno plast. Ta vpliv je prikazan na sliki 6.
Deformacjjsko delo je predstavljeno s povr{ino pod krivuljo s-e (slika 4) in je delo, potrebno za poru{itev preizku{anca oz. materiala. Slika 7 prikazuje primerjavo deformacijskega dela za 8-plastni laminat, kjer se vidi, da bolj kot je orientacija vlaken zunaj smeri obremenitve, (amax = 45°) ve~ dela je potrebno vlo' iti.
4 LITERATURA
1	G. Lubin: Handbook of Composites, Van Nostrand Reinhold, New York, 1981
2	M. M. Schwartz: Composite Materials Handbook, McGraw-Hill Book Company, New York, 1983
3	G. N. Karam: Effect of fibre volume on tensile properties of real unidirectional fibre-reinforced composites, Composites, March (1991) 85-88
4	R. L. Pendleton, M. E. Tuttle: Manual on Experimental Methods for Mechanical Testing of Composites, Society for Experimental Mechanics, Bethel CT, USA, 1989
5S. T. Burr, D. L. Sikarskie: Damage Characterization of Woven Composites Under Static Tensile Loading, Proc. of the 1995 SEM Spring Conf, June 12-14, Grand Rapids, USA
6A. Lavri~ (Diplomska naloga): Analiza vpliva usmerjenosti oja~it-venih vlaken na natezne lastnosti slojevitih polimernih kompozitov, Fakulteta za strojni{tvo, Ljubljana, 1997
74	KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-1