Tests op composieten

Trektests op composieten worden gebruikt voor het bepalen van de trekmodulus en de poissonverhouding, maar ook de treksterkte in de hoofdrichtingen van vezelversterkte kunststoffen.

• De meest courante normen voor trektests op composieten zijn ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039, EN 2561 en EN 2597.
• De fabrieksnorm Airbus AITM 1-0007 bevat de testvereisten voor zowel trektests op ongekerfde multidirectionele laminaten als gekerfde trektests voor de bepaling van de treksterkte via de open hole tension (OHT) en filled hole tension (FHT) testmethoden. Open hole En filled hole trektests worden vooral uitgevoerd in lucht- en ruimtevaarttoepassingen voor het bepalen van de reductie in sterkte van multidirectionele laminaten onder trekbelasting met open of gevulde boringen. Andere genormeerde testmethoden voor de open hole en filled hole treksterkte zijn ASTM D5766 en ASTM D6742.

Druktests op composieten worden gebruikt voor het bepalen van de drukmodulus en druksterkte in de hoofdrichtingen van vezelversterkte kunststoffen. De druktest speelt een belangrijke rol bij het testen van composieten aangezien de druksterkte in de richting van de vezels in het laminaat vaak kleiner is dan de treksterkte, en de faalmodi van een vezelversterkt laminaat duidelijk anders zijn onder trekbelasting als onder drukbelasting.

Er bestaan vele verschillende testmethoden en testnormen voor druktests op composieten, waartussen een onderscheid gemaakt wordt op basis van de drie belastingsprincipes:

• End loading druktest volgens ASTM D695, DIN EN 2850 type B en Boeing BSS 7260 type III en IV
• Druktest shear loading volgens ASTM D3410, ISO 14126 Methode 1, DIN EN 2850 type A en Airbus AITM 1-0008 sample type A
• Druktest met gecombineerde belasting volgens ASTM D6641, ISO 14126 Methode 2, en Airbus AITM 1.0008 sample type A

Naast de hierboven vermelde testmethoden voor bepaling van de drukwaarden van ongekerfde laminaten, bestaan er genormeerde gekerfde druktests op composieten voor het bepalen van de open hole druksterkte (OHC) volgens ASTM D6484 en filled hole druksterkte (FHC) volgens ASTM D6742.
In combinatie met de drukeigenschappen van ongekerfde laminaten, kunnen de juiste reductiefactoren bepaald worden voor multidirectionele laminaten onder drukbelasting. Gekerfde druktests worden verder beschreven in de industrienormen Airbus AITM 1.0008 sample types B, D en C, en in Boeing BSS 7260 type I.

Afschuiftests op composieten worden gebruikt om de afschuifkarakteristieken van vezelversterkte kunststoffen in het vlak te bepalen, zoals de afschuifmodulus en de afschuifsterkte. Bij materialen met verschillende eigenschappen in de hoofdrichtingen van het materiaal, moet de afschuifmodulus steeds bepaald worden met afzonderlijke afschuiftests. In tegenstelling tot bijvoorbeeld isotropische materialen kan deze niet berekend worden uit andere elastische karakteristieke waarden.

Voor de bepaling van de afschuifeigenschappen en het afschuifgedrag werden drie verschillende testmethoden ontwikkeld:

• Trektest op ±45° laminaat volgens ISO 14129, ASTM D3518 en Airbus AITM 1-0002
• V-notched beam (Iosipescu) afschuiftest volgens ASTM D5379
• V-notched rail shear test volgens ASTM D7078

Voor de trektest met een ±45° laminaat (in-plane shear test) wordt dezelfde testopstelling gebruikt als voor trektests. Voor de berekening van de afschuifrek is het echter noodzakelijk de transverse rek te meten naast de axiale rek.

Voor de Iosipescu en de v-notch rail shear test zijn gekerfde samples en passende testwerktuigen nodig. Ook hier is een biaxiale rekmeting nodig. Vaak worden biaxiale rekstrookjes gebruikt. Alternatief kan de rek gemeten worden met digitale beeldcorrelatie (DIC).
De v-notched shear test kan ook gebruikt worden voor het bepalen van afschuifwaarden buiten het vlak als laminaten met voldoende dikte beschikbaar zijn.

Dankzij de relatief eenvoudige testopstelling, samplegeometrie, bewerkingen en uitvoering van de test, worden buigtests op composieten vaak gebruikt bij kwaliteitscontrole voor een snelle vergelijking van materialen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen 3- en 4-punts buigtests. Courante genormeerde testmethoden voor buigtests op vezelversterkte kunststoffen zijn:

• 3- en 4-punts buigtest volgens ISO 14125 en ASTM D7264
• 3-punts buigtest volgens EN 2562, EN 2746 en ASTM D790
• 4-Punts buigtest volgens ASTM D6272

Als de testopstelling voldoende stijf is, of als de doorbuiging van de testopstelling gemeten en gecorrigeerd kan worden in de testsoftware, is het bij de 3-punts buigtest vaak toegelaten de machineverplaatsing te gebruiken.
Bij de 4-punts buigtest is het nodig de doorbuiging te meten in het midden van het sample met een geschikt verplaatsingsmeetsysteem.

De test voor het bepalen van de interlaminaire afschuifsterkte (ILSS) behoort tot de meest courant uitgevoerde statische tests op vezelversterkte kunststoffen en wordt vaak gebruikt voor kwaliteitscontrole. Het aantal benodigde samples is relatief klein, de test is snel en makkelijk uit te voeren, en enkel de maximale kracht tijdens de test is relevant voor de evaluatie.

Gekende testnormen voor de ILSS test zijn ISO 14130, EN 2377, EN 2563 en ASTM D2344.

Alle vier normen beschrijven een rechthoekig sample, maar kunnen gebruik maken van verschillende afmetingen voor de lengte, breedte en dikte van het sample. ASTM D2344 beschrijft bovendien een gebogen sample, zoals bijvoorbeeld uit een drukvat of buiswand.

De testopstelling voor de ILSS test moet voldoen aan de zeer lage toleranties uit de testnormen.

De kritische energie-afgiftesnelheid en energie-afgiftesnelheid tijdens stabiele scheurgroei worden bepaald met breukmechanische testmethoden en dienen om het delaminatiegedrag van composietlaminaten te begrijpen. Er moet een laminaat geproduceerd worden waarin een kunstmatige scheur werd aangebracht in het middenvlak van het laminaat met een zeer dunne niet-klevende kunststoffilm (vaak wordt Teflon film gebruikt).

Testmethoden voor scheurgroei via trekbelasting loodrecht op de scheur (Mode I) en testmethoden met scheurgroei via afschuifbelasting in de doorsnede van het laminaat (Mode II) zijn het meest courant. Voor de ijking van numerische methoden voor de berekening van scheurgroei in een laminaat, bestaat een bijkomende methode met gemengde belasting mode I + II:

• Mode I als double cantilever beam (DCB) test volgens ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 en Boeing BSS 7273
• Mode II als end-notched flexure (ENF) test volgens ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 en Boeing BSS 7273
• Mode II als calibrated end-loaded split (C-ELS) test volgens ISO 15114
• Gemengde mode I+II als mixed-mode bending (MMB) test volgens ASTM D6671

De compression After Impact (CAI) test is een testmethode om de blijvende druksterkte van een laminaat na beschadiging te bepalen. Het sample wordt vooraf beschadigd met een in de norm vastgelegde impactenergie. Met deze methode kunnen conclusies getrokken worden over de schadetolerantie van een composietlaminaat om de veiligheid en betrouwbaarheid van onderdelen te verzekeren, met name voor composietstructuren in lucht- en ruimtevaart die blootgesteld worden aan impactbelasting.

Voor de CAI test werden volgende testmethoden ontwikkeld: ASTM D7136 en ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 en Boeing BSS 7260 type II.

Naast de mechanische eigenschappen van de vezelversterkte kunststoflaminaten zelf, wordt ook de sterkte van verbindingen getest voor samenstelling en ontwerp van structuren uit composiet.

De genormeerde testmethoden voor deze tests kunnen ruwweg in drie soorten onderverdeeld worden:

• Hechtingssterkte van adhesieven (lap shear test) volgens ASTM D5868, EN 6060 en Airbus AITM 1-0019
• Sterkte van verbindingen met bouten of draadeinden en tests op draagkracht met belasting in het laminaatvlak volgens ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM 1-0009, AITM 1-0065 en AITM 1-0067
• Doortrekweerstand van bevestigingsmaterialen met belasting loodrecht op het laminaatvlak volgens ASTM D7332 en Airbus AITM 1-0066

Om het vermoeiingsgedrag van composietlaminaten te bepalen en S-N curven op te stellen, worden meestal dynamische cyclische tests met pulserende trekbelasting gebruikt. Passende genormeerde dynamische tests op composieten zijn ASTM D3479 en ISO 13003. ISO 13003 beschrijft ook een vermoeiingstests op composieten met dynamische cyclische buigbelasting.

Andere genormeerde dynamische testmethoden voor composieten zijn:

• Open hole trek- en open hole drukvermoeiing volgens ASTM D7615
• Interlaminaire scheurgroei onder mode I vermoeiingsbelasting volgens ASTM D6115
• Vermoeiing van boutverbindingen en dynamische draakrachttests volgens ASTM D6873 en Airbus AITM 1-0074
• Airbus AITM 1-0075 bevat samenvattende informatie over de uitvoering van ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, pull-through, CAI en lap-shear vermoeiingstests.