Przejdź do zawartości strony

Badanie kompozytów

Metoda badań charakterystyki mechanicznej tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami

Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami (FRP) to klasa wysokowydajnych materiałów, które są stosowane głównie w lekkich konstrukcjach w przemyśle lotniczym, energetyce wiatrowej, motoryzacji itp. ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne w stosunku do ciężaru, bardzo dobre właściwości zmęczeniowe i dużą elastyczność projektowania. Do konstrukcji cienkościennych z reguły stosuje się wielowarstwowe laminaty kompozytowe, składające się z pojedynczych warstw. Rodzaje wzmocnień włóknistych wahają się od jednokierunkowych wzmocnionych włóknem bez końca (UD), siatek i kompozytów tkaninowych po FRP z nieciągłymi i losowo rozmieszczonymi włóknami wzmacniającymi.

Istnieje szereg znormalizowanych badań kompozytówdo charakterystyki mechanicznej materiałów FRP do celów rozwoju materiałów, kwalifikacji materiałów, zapewnienia jakości lub określenia parametrów do interpretacji i projektowania struktur kompozytowych:

Metody badawcze kompozytów:

Próba rozciągania Próba ściskania Próba ścinania Próba zginania Próba ILSS Szybkość uwalniania energii międzywarstwowej Compression After Impact (CAI) Wytrzymałość naprężeń osadzania Badanie zmęczeniowe

Dalsze informacje na temat badań kompozytowych:

Modułowy system badawczy System badawczy do obciążeń do 600 kN Badania kompozytów kriogenicznych Wyrównanie w rozciąganiu skośnym Projekty klientów

Film: Przegląd metod badawczych materiałów kompozytowych

Nagranie z webinarium na temat Wprowadzenie do badania materiałów kompozytowych:
Dowiedz się więcej o podstawowych metodach badań mechanicznych firmy ZwickRoell i zaawansowanych rozwiązaniach badawczych w zakresie badań kompozytowych w celu zapewnienia jakości i projektowania konstrukcji kompozytowych:

  • 01:31 Zastosowania materiałów kompozytowych
  • 06:36 Trendy w branży kompozytowej
  • 11:51 Podstawowe statyczne właściwości materiałów in-plane
  • 16:25 Kompozyty Próba rozciągania
  • 20:58 Alignment
  • 23:15 Próba ściskania kompozytów: End Loading, Shear Loading i Combined Loading Compression
  • 28:44 Próba ścinania kompozytów
  • 32:49 3 i 4 - punktowa próba zginania
  • 34:51 Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe (ILSS)
  • 36:38 Kompozyty Maszyny wytrzymałościowe
  • 42:12 Pomiar wydłużenia i pomiar ugięcia

Download pdf

Kompozyty Próba rozciągania

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 kompozytówISO 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.
Konstrukcja badawcza do badania kompozytów na rozciąganie zgodnie z ISO 527-4 & ISO 527-5
Kompozyty | Próba rozciągania
ISO 527-4, ISO 527-5
do Kompozyty | Próba rozciągania
Szczegółowy widok próbki kompozytu i uchwytu mocującego zgodnie z kompozytami do próby rozciągania ASTM D3039
Kompozyty | Próba rozciągania
ASTM D3039
do Kompozyty | Próba rozciągania

Badania ściskania i ściskania z karbem kompozytów

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.

Próba ściskania zgodnie z ASTM D695, DIN EN 2850, Sacma SRM-1R-94 z czołowym prowadzeniem siły (End Loading Compression) na tworzywach sztucznych i kompozytach
Kompozyty & Tworzywa sztuczne | Próba ściskania (End loading)
ASTM D695, DIN EN 2850 Metoda B, Boeing BSS 7260 Typ III i IV
do Kompozyty & Tworzywa sztuczne | Próba ściskania (End loading)
Próba ściskania kompozytu z przyłożeniem siły poprzez ścinanie, Shear Loading Compression ISO 14126, ASTM D3410, DIN EN 2850
Badanie na ściskanie kompozytów (Shear Loading Compression)
ISO 14126, ASTM D3410, DIN EN 2850
do Badanie na ściskanie kompozytów (Shear Loading Compression)
ASTM D6641: Composite Combined Loading Compression Próba (CLC)
Kompozyty | Próba ściskania (Combined Loading)
ASTM D6641, ISO 14126 (Metoda 2), Airbus AITM1-0008
do Kompozyty | Próba ściskania (Combined Loading)
Urządzenie badawcze według ASTM D6484 i ASTM D6742 znormalizowanych badań Open Hole Compression (OHC) i Filled Hole Compression (FHC)
Kompozyty | Próby ściskania z karbem (OHC, FHC)
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 Typ I, AITM1-0008
do Kompozyty | Próby ściskania z karbem (OHC, FHC)

Kompozyty Badanie na ścinanie

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.

Badanie IPS: Ścinanie w płaszczyźnie warstwy
Kompozyty | Próba ścinania (In Plane Shear Test)
ASTM D3518, ISO 14129, AITM 1-0002
można wygenerować i zmierzyć w próbach rozciągania lub ściskania pod kątem ± 45° do kierunku włókna.
do Kompozyty | Próba ścinania (In Plane Shear Test)

Kompozyty Badanie na zginanie

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:

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.

4-punktowa próba zginania kompozytów
Kompozyty | Próby zginania
ISO 14125, ASTM D7264, EN 2562, EN 2746
do Kompozyty | Próby zginania
ASTM D790: Urządzenie badawcze ZwickRoell do 3-punktowej próby zginania Tworzywa sztuczne
Tworzywa sztuczne | 3-punktowa próba zginania
ASTM D790
do Tworzywa sztuczne | 3-punktowa próba zginania

Międzywarstwowa wytrzymałość na ścinanie (Interlaminar shear strength (ILSS)

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.

Urządzenie badawcze do określania wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe ILSF lub wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe ILSS zgodnie z ASTM D2344 na kompozytach
Kompozyty | Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe (ILSS)
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
do Kompozyty | Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe (ILSS)

Próby mające na celu określenie szybkości uwalniania energii międzywarstwowej

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 als 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
Test GIC zgodnie z ASTM D5528 & ISO 15024: Widok szczegółowy próby DCB w teście DCB (Double Cantilever Beam Test)
Composites | G1c-Test / DCB-Test (Double Cantilever Beam)
ASTM D5528, ISO 15024
Szybkość uwalniania energii międzylaminarnej przy obciążeniu w trybie I
do Composites | G1c-Test / DCB-Test (Double Cantilever Beam)
Szczegółowy widok próbki DCB w teście Mode I G1c w metodzie badania Double Cantilever Beam zgodnie z ASTM D5528, ISO 15024, EN 6033
Kompozyty | Szybkość uwalniania energii G
Test I trybu DCB ASTM D5528 | Test ENF trybu II ASTM D7905 | Test MMB ASTM D6671 obejmujący normy ISO
do Kompozyty | Szybkość uwalniania energii G

Compression After Impact (CAI) Badanie na ściskanie

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.

Test CAI (Compression after Impact) na kompozytach
Kompozyty | CompressionAfterImpact (CAI)
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010, Boeing BSS 7260 typ II
CAI służy do charakteryzowania uszkodzeń, które mogą wystąpić np. w samolotach lub pojazdach na skutek spadających kamieni, zderzeń z ptakami lub wypadków.
do Kompozyty | CompressionAfterImpact (CAI)

Wytrzymałość łożysk otworowych i wytrzymałość połączeń

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:

Kompozyty | Wytrzymałość połączeń klejowych (Lap Shear Test)
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM1-0019
Wytrzymałość połączeń klejowych laminatów
do Kompozyty | Wytrzymałość połączeń klejowych (Lap Shear Test)

Badanie zmęczeniowe kompozytów

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.
Kompozyty | Dynamiczne badania cykliczne
służą do oceny trwałości użytkowej próbek do badań, elementów konstrukcyjnych i komponentów.
do Kompozyty | Dynamiczne badania cykliczne

Modułowe maszyny wytrzymałościowe do badania kompozytów

Większe laboratoria badawcze z odpowiednio dużą liczbą badań wykorzystują różne maszyny wytrzymałościowe do bardzo różnorodnych badań kompozytów , dzięki czemu mogą zminimalizować wysiłek związany z przezbrojeniem. Poszczególne maszyny wytrzymałościowe można dostosować do zakresu sił różnych typów badań. Jeśli liczba badań nie jest na tyle duża lub regularna, aby warto było inwestować w kilka maszyn badawczych, korzystne jest wyposażenie jednej maszyny wytrzymałościowej w taki sposób, aby można było przeprowadzić jak najwięcej procedur badawczych przy możliwie najmniejszym wysiłku związanym z przezbrojeniem.

W tym celu firma ZwickRoell opracowała koncepcję modułowej maszyny wytrzymałościowej do badań kompozytów , dostępnej jako statyczna maszyna wytrzymałościowa 100 kN lub 250 kN, która obejmuje 21 metod badawczych i około 120 norm badawczych (ISO, EN, ASTM, a także Airbus AITM i Boeing BSS), który umożliwia szeroką charakterystykę włóknistych materiałów kompozytowych w temperaturze pokojowej lub w badaniach w niskich lub podwyższonych temperaturach od -80°C do +360°C.

Einweisung_4

Znajdziemy optymalne badanie wytrzymałościowe spełniające wszelkie wymogi.

Zapraszamy do kontaktu z naszymi ekspertami branżowymi.

Chętnie odpowiemy na Państwa pytania!

Zapraszamy do kontaktu

Nazwa Typ Wielkość Download
  • Informacja branżowa: Materiały kompozytowe PDF 7 MB
  • Wykład: Wprowadzenie do badania kompozytów PDF 2 MB

Ciekawe projekty klientów w badaniu kompozytów

Top