Low-velocity impact damage tolerance of composite laminates with interlaminar hybrid toughening via core-shell-rubber particles and non-woven thermoplastic fibre veils
Arayüzleri çekirdek kabuk kauçuk partiküller ve dokusuz termoplastik matlar ile birlikte hibrit toklaştırılmış kompozit laminatların düşük hızlı darbe toleransı
- Tez No: 785139
- Danışmanlar: DR. KALI BABU KATNAM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: The University of Manchester
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Kompozit Malzeme Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 190
Özet
Gelişmiş polimer kompozit laminatlar, metalik malzemelere göre yüksek özgül mukavemetleri ve sertlikleri nedeniyle son zamanlarda birçok mühendislik uygulamasında (örneğin havacılık) yapısal bir bileşen olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, polimer kompozit laminatlar zayıf delaminasyon direnci nedeniyle darbe olaylarına karşı dayanıksızdırlar. Kompozit laminatların delaminasyon direnci eksikliğini gidermek için bugüne kadar çeşitli toklaştırma stratejileri (yani, reçine toklaştırma, katmanlar arası termoplastik matlarla toklaştırma, 3 boyutlu elyaf takviyesi ve kalınlık boyunca güçlendirme) geliştirilmiştir. Termoplastik mat ve dökme reçine toklaştırma yaklaşımları, karmaşık ve pahalı üretim süreçleri gerektirmediği için 3 boyutlu ve kalınlık boyunca güçlendirme yöntemlerine kıyasla uygulanması kolay ve uygun maliyetli stratejilerdir. Bu bağlamda, bu çalışma, çekirdek-kabuk kauçuk (ÇKK) parçacıklarının ve termoplastik dokunmamış matların hibrit kullanımı ile katmanlar arası kırılma, darbe ve darbe sonrası özelliklerin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Kompozit laminatların (yani, karbon fiber kıvrımsız kumaşlar ve iki parçalı düşük viskoziteli epoksi kombinasyonu) kırılma, darbe ve darbe sonrası özellikleri araştırılmıştır ve laminatlar Polieterimid (PEI) matlar, Polifenilen Sülfür (PPS) matlar, ÇKK partikül içeriği ve PPS matlar ve CSR partikül içeriğinin hibrit kullanımı ile toklaştırılmıştır. Darbe ve darbe sonrası mukavemet testlerinden önce laminatların mod-I ve mod-II kırılma dirençleri incelenmiştir. PPS matlar aracılığıyla enerji dağıtma toklaştırma mekanizmalarının PEI matlara göre daha verimli olduğu gösterilmiştir. Ancak, matların içinden komşu lamineye doğru yön değiştiren kırılma ucu matlarla toklaştırılan laminatların kırılma enerjisini çatlak ucunun ilerlermesi sırasında düşürmüştür. ÇKK parçacıkları ile birlikte PPS matlarının kullanılması, çatlak ucu yayılma yolunu değiştirmiş ve mod-I kırılma özelliklerinde daha fazla artış sağlamıştır. Ancak, ÇKK parçacık içeriği, laminatların mod-II kırılma özelliklerini olumsuz yönde etkilemiştir. Böylece, ÇKK partikül içeriği, hibrit yaklaşımla sertleştirilmiş laminatların mod-II kırılma özelliklerini, PPS matları ile sertleştirilmiş laminatlara kıyasla biraz azaltmıştır. Ardından, darbe testleri PPS matları ve ÇKK parçacıklarının hibrit kullanımının darbe hasarını önemli ölçüde bastırdığını, çünkü indüklenen darbe enerjisinin çoğunlukla delaminasyon eşiğine ulaşılana kadar emildiğini göstermiş. Daha sonra çatlak ucunun mat ve karbon fiber yüzeyler arasındaki reçine bakımından zengin bölgeye göç ettiği ve PPS matlarından ve ÇKK partiküllerinden elde edilen toklaştırma mekanizmalarının darbe direncine sınırlı katkısı gözlemlenmiştir. Darbe direnci, delaminasyon eşiğine ulaşılana kadar mod-I başlatma kırılma özellikleri tarafından yönetilmiş, ardından yayılma kırılma özellikleri darbe direncine aktarılmamıştır. Darbe testinden sonra gerçekleştirilen bası testi sonuçları, mod-I kırılma enerjileri ile laminatların darbe sonrası bası dayanımı arasında bir korelasyon olduğunu göstermektedir. PPS matları ve ÇKK partiküllerinin birlikte kullanılması, darbe hasarı alanını bastırmış ve ek kalınlık artışına sebep olmaksızın kompozit laminatlar için darbe sonrası özellikleri iyileştirmiştir. Bununla birlikte, toklaşma özelliklerinin hibrit yaklaşımdan elde edilen darbe ve darbe sonrası özelliklere aktarımı sınırlıdır, bu durum darbe yüklemesi altında meydana gelen çatlak ucunun sapması ve yüksek gerinim hızından kaynaklanabilir.
Özet (Çeviri)
Advanced polymer composite laminates have recently been widely used as a structural component in many engineering applications (e.g. aerospace) due to their high specific strength and stiffness over metallic materials. However, polymer composite laminates are vulnerable to impact events due to the weak delamination resistance. Several toughening strategies (i.e. bulk resin toughening, interlaminar thermoplastic veil toughening, 3-dimensional fibre reinforcement and through-thickness reinforcement) have been developed up to date to address the lack of delamination resistance for composite laminates. Thermoplastic veil and bulk resin toughening approaches are easy to apply and cost-effective strategies compared to the 3-dimensional and through-the-thickness reinforcement methods as not requiring complex and expensive manufacturing processes. In this regard, this study focuses on enhancing interlaminar fracture, impact and post-impact properties with the hybrid use of core-shell rubber particles (CSR) and thermoplastic non-woven veils. The fracture, impact and post-impact properties of composite laminates (i.e. combination of carbon fibre non-crimp fabrics and two-part low-viscous epoxy) are investigated and toughened with Polyetherimide (PEI) veils, Polyphenylene sulphide (PPS) veils, CSR particle content and the hybrid use of PPS veils and CSR particle content in this study. The mode-I and mode-II fracture resistance of the laminates were examined prior to the impact and post-impact compression tests. It is indicated that energy dissipation toughening mechanisms via PPS veils is more efficient compared the PEI veils. However, crack tip migration within the veils to the neighbouring lamina reduce the crack resistance of the laminates with veils during crack propagation. The use of PPS veils with CSR particles together changed the crack tip propagation path and provide further improvement in the mode-I fracture properties. However, the CSR particle content adversely affected the mode-II fracture properties of the laminates. Thus the CSR particle content also slightly reduced the mode-II fracture properties of the laminates toughened with the hybrid approach when compared to the laminates toughened with PPS veils. Followingly, impact tests demonstrated that the hybrid use of the PPS veils and CSR particles significantly suppressed the impact damage as the induced impact energy was mostly absorbed until the delamination threshold is reached. Then, the crack tip migrated to the resin-rich region between the veil and carbon fibre surfaces and the limited contribution of the impact resistance via toughening mechanisms obtained from the PPS veils and CSR particles to impact resistance was observed. The impact resistance is governed by mode-I initiation fracture properties until the delamination threshold is reached, then the propagation fracture properties were not transferred to the impact resistance. The performed compression after impact test results indicate that there is a correlation between mode-I initiation fracture energies and residual compressive strength of the laminates. The use of PPS veils and CSR particles together suppressed the impact damage area and improved the post-impact properties for the composite laminates with no additional thickness penalty. However, the transfer of the toughening properties to the impact and post-impact properties obtained from the hybrid approach is limited, which can be due to the crack tip migration and the high strain rate occurred under impact loading.
Benzer Tezler
- Investigation of impact behavior of laminated hybrid composite plates
Tabakalı hibrit kompozit plakaların darbe davranışının araştırılması
MEHMET BULUT
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMekanik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ERKLİĞ
YRD. DOÇ. DR. EYÜP YETER
- The effects of manufacturing defects on the material properties of carbon fiber reinforced low melting point polyaryletherketone (PAEK) composite laminates manufactured by autoclave consolidation
Üretim hatalarının otoklav konsolidasyonu ile birleştirilen karbon fiber takviyeli düşük erime noktasına sahip poliarileterketon (PAEK) plakaların malzeme özellikleri üzerine etkileri
BERKİN ÇETİNKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH ÖKTEM
DR. ÖĞR. ÜYESİ METE BAKIR
- Experimental and numerical investigation of the impact resistance and impact damage tolerance of a carbon fiber reinforced thermoplastic polyphenylene sulfide (PPS) matrix composite
Karbon fiber takviyeli termoplastik polifenilen sülfit (PPS) matris kompozitin darbe direncinin ve darbe hasar toleransının deneysel ve nümerik araştırılması
SEMİH BERK SEVEN
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GÜDEN
PROF. DR. ALPER TAŞDEMİRCİ
- Yüzey plaka kalınlığı ve çekirdek malzeme farklılığının karbon takviyeli sandviç kompozit yapıların hasar toleransına etkisinin araştırılması
An investigation of skin thickness and core material varietyon damage tolerance of carbon fiber reinforced sandwichcomposite structures
ERDİNÇ KURŞUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiBaşkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER FARUK ELALDI