Ortotróp kompozit erősítőanyagok húzó és nyírási tulajdonságainak vizsgálata és elemzése. Diplomaterv

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM POLIMERTECHNIKA TANSZÉK Ortotróp kompozit erősítőanyagok húzó és nyírási tulajdonságainak vizsgálata és elemzése Diplomaterv Készítette: Bertalan Attila Témavezető: Prof. Dr. Vas László Mihály tudományos tanácsadó Konzulens: Dr. Halász Marianna egyetemi docens Molnár Kolos doktorandusz 2013

2

3

4

5 Tartalomjegyzék JELÖLÉS ÉS RÖVIDÍTÉSJEGYZÉK BEVEZETÉS IRODALMI ÁTTEKINTÉS A POLIMER KOMPOZITOKRÓL POLIMER KOMPOZITOK ERŐSÍTŐ ANYAGAI Aramid szál Szénszál Üvegszál ERŐSÍTŐ ANYAGOK FELHASZNÁLÁSI MÓDJAI Egydimenziós erősítőstruktúrák Kétdimenziós erősítőstruktúrák Szálpaplan Szövet VIZSGÁLATI MÓDSZEREK A MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK MEGHATÁROZÁSÁHOZ Uniaxiális vizsgálatok Biaxiális húzóvizsgálat Kawabata rendszer KÍSÉRLETI RÉSZ A VIZSGÁLATOKHOZ SZÜKSÉGES PRÓBATESTEK ELŐKÉSZÍTÉSE AZ ELVÉGZETT VIZSGÁLATOKHOZ ALKALMAZOTT BERENDEZÉSEK Rovingszakítás Sávszakítás Nyíróvizsgálat Rovingkihúzás vizsgálat Biaxiális vizsgálat MÉRÉSEK ÉRTÉKELÉSE Roving szakítás

6 Sávszakítás Nyírás Rovingkihúzás Biaxiális húzóvizsgálat ÖSSZEGZÉS SUMMARY KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS IRODALOMJEGYZÉK MELLÉKLETEK MELLÉKLET MELLÉKLET MELLÉKLET MELLÉKLET MELLÉKLET

7 Jelölés és rövidítésjegyzék Jelölések: Jelölés Mértékegység Elnevezés A [m 2 ] Roving keresztmetszet b [mm] Mintadarab vastagság d f [μm] Elemi szál átmérő E [MPa] Rugalmassági modulusz F [N] Terhelő erő F b [N] Törési terhelő erő F m [N] Maximális terhelőerő F súrl [N] Súrlódási erő F tap [N] Tapadási erő G [MPa] Nyírási rugalmassági modulusz G* [N] Nehézségi erő h [mm] Mintadarab szélesség K [- ] Elemi szál/roving arány L [mm] Befogási hossz l [mm] Elmozdulás T [ o C] Mérési hőmérséklet q [tex] Mintadarab lineáris sűrűsége γ [rad] Szögelfordulás ε [%] Relatív nyúlás θ [ o ] Nyírási szög μ súrl [- ] Súrlódási együttható μ tap [- ] Tapadási együttható ρ [kg/m3] Üvegszövet sűrűsége h [MPa] Húzószilárdság b [MPa] Szakítószilárdság τ [MPa] Nyírómodulusz - 7 -

8 Rövidítések: Röv. Magyar elnevezés Angol elnevezés PE Polietilén Polyethylene PVC Polivinilklorid Polyvinylchloride PP Polipropilén Polypropylene PC Polikarbonát Polycarbonate ABS Akrilnitril-butadién-sztirol kopolimer Acrylonitrilebutadiene-styrene PPS Polifenilén-szulfid Polyphenylene sulphide PES Poliéter-szulfon Poliethersulfone PA Poliamid Polyamide EP Epoxi gyanta Epoxy resin UP Telítetlen gyanta Unsatured resin VE Vinilészter gyanta Vinylester resin PAN Poliakrilnitril Polyacrylonitrile SIO 2 Szilícium-dioxid Silicon-dioxide ZnO Cink-oxid Zinc-oxide TiO 2 Titánium-dioxid Titanium-dioxide - 8 -

9 1. Bevezetés Az 1768-ban tekercselt első gumitömlő gyártása [1] óta sokat fejlődött a polimertechnika. A XIX. századi gyors és nagyléptű fejlődés után a XX. században is a töretlen fejlődés volt a jellemző, amely napjainkra sem lassult. Ez a töretlen fejlődés tette lehetővé az acél és más szerkezeti anyagok kiváltását polimer anyagokkal, gondolva itt a járműiparra, elektrotechnikára vagy akár az űrtechnikára is. Azonban a technikai fejlődéssel egyre szilárdabb és kisebb sűrűségű anyagokra van szükség és ezért jelentek meg a polimer kompozitok, melyek két anyag kombinációjaként előállíthatók és az alapanyagot számtalan morfológiájú második fázissal erősíthetik (rövid vagy hosszú szálakkal és részecskékkel) [2], így jóval nagyobb terhelésnek képesek ellenállni, mint az alap polimerek és eközben sűrűségük nem növekszik jelentősen, vagy speciális esetben egyáltalán nem. A polimer kompozitok egyik jelentős tulajdonsága, hogy az igénybevétel, terhelés által meghatározott irányba nagyságrendekkel nagyobb szilárdságot lehet elérni a megfelelő erősítőanyag alkalmazásával. Abban az esetben, ha az igénybevétel várhatóan egy irányból érkezik, akkor a terhelés irányának megfelelően beágyazott erősítő szálakat alkalmaznak. Van, amikor viszont olyan alkatrészt szükséges tervezni és legyártani, melynek több irányú igénybevételnek kell ellen állnia. Ilyenkor kapnak szerepet az erősítő szálakból, rovingokból szőtt szövetek az UD kelmék, fonatolt termékek.. Mivel a kompozitok esetében a terhelés majd egészét az erősítő anyagoknak kell felvenniük, ezért a szövetes erősítés esetén is a lehető legpontosabb méretezésre kell törekedni. Ehhez elengedhetetlen az erősítő szövet mechanikai tulajdonságainak minél pontosabb ismerete. Feladatom során olyan mérési módszerekkel kísérleteztem, gyakran nem túlzottan elterjedtekkel az előre kiválasztott erősítő anyaggal kapcsolatban, melyek segítségével több mérnöki konstanst határoztam meg. Továbbá kísérletet tettem a vizsgálandó anyag biaxiális húzóvizgálatára, melynek eredményeit összevetettem az anyagból különböző irányokban kivágott minták sávszakító vizsgálataival

10 2. Irodalmi áttekintés Ez a fejezet a polimer kompozitokkal, a kompozitok elterjedt erősítőanyagaival és azok mechanikai vizsgálatival foglalkozik. A fejezet részét képezik az erősítő anyagok beágyazási formáinak áttekintése is A polimer kompozitokról Az emberiség már évezredek óta használja a kompozit anyagokat. Eleinte a természetből vett alapanyagokat kombinálva állították elő ezeket, gondolva itt többek között a vályogra, mely agyag és szalma keveréke. A XIX. század egyik kompozit találmánya a vasbeton ugyancsak meghatározó szerepet tölt be a mai napig az építőiparban. A polimertechnikában a kompozitok a műszaki célú szerkezeti anyagok legkorszerűbb családját képezik [1]. Adottságaik mára nélkülözhetetlenné tették őket a repülőgépgyártásban, az autóiparban és az űrtechnikában, de ugyancsak jelentős a szerepük az elektronika és más iparágakban (1. ábra) 1. ábra A kompozitok felhasználásának megoszlása alkalmazási terület szerint [3]

11 A polimer kompozitok felépítésüket tekintve befoglaló (mátrix) anyagból és valamilyen szálas erősítőanyagből épülnek fel, melyek között kitűnő kapcsolat van, mely a deformáció magas szintjén is fennmarad. 2. ábra Kompozitok alkotó anyagai [4] A kompozitokat a mátrix anyagok szempontjából két fő csoportba sorolhatjuk. A hőre keményedő mátrix anyagokat alkalmazzák a legszélesebb körben a polimer kompozitok gyártása során, köszönhetően jó mechanikai tulajdonságaiknak és hőállóságuknak. Főbb jellemzőik, hogy a térhálósodás során kémiai folyamatok mennek végbe, ezért a folyamat visszafordíthatatlan. Előnyük a legtöbbször viszonylag alacsony gyártási hőmérséklet, a kis viszkozitás és emellett nem szabad megfeledkezni arról, hogy kiválóan alkalmasak bonyolult, komplex felületek gyártására is. Egyik fő htárányuk az esetenként hosszú és ezért költséges gyártási folyamat. Hőre keményedő mátrix anyagok többek között az epoxi gyanták (EP), a poliészter gyanták (UP), a vinilészter gyanták (VE) és a fenol gyanták. A másik nagy csoport a hőre lágyuló mátrix anyagok, melyek között megtaláljuk a tömeg- vagy közszükségleti műanyagokat mint a polietilént (PE), a polipropilént (PP) és a poliésztert (PES), de ide tartoznak a hőre lágyuló műszaki polimerek (PA, PC, ABS), melyek az előbbiektől jobb szilárdsági tulajdonságaikkal különböznek. A hőre lágyuló anyagok jellemzői, hogy a hőre keményedő mátrixanyagokkal szemben feldolgozáskor nem játszódik le kémiai reakció így nincs külön kötési ciklus, így csakaz ömledék megszilárdulási ideje van, aminek következménye, hogy rövid a gyártási folyamat. Előformázhatóak és újra felhasználhatóak, valamint a maradék anyag újrahasznosítható így ezen anyagok

12 megfelelnek az egyik legfontosabb környezetvédelmi követelménynek. Hátrányuk a gyártásukhoz szükséges magas hőmérséklet és a hőre keményedő anyagokhoz viszonyított gyengébb ellenállás a kémiai oldószerekkel szemben. A mátrix anyagokról így elmondható, hogy mindig a felhasználási terület és a szükséges mechanikai tulajdonságok határozzák meg, hogy milyen anyagot kell választani Polimer kompozitok erősítő anyagai A kompozitokban alkalmazott különböző alapanyagú erősítőanyagok révén vált lehetségessé a kompozitok széles körű alkalmazása. A mátrixba történő beágyazásával a mechanikai tulajdonságok nagy mértékben növelhetőek az alap polimerhez képest anélkül, hogy sűrűségük jelentősen változna. Az erősítő anyagok több formában és módon felhasználhatóak a kompozitok gyártásánál. (3. ábra) 3. ábra Erősítő anyagok beágyazási formái. (a) szemcsés, (b) szálas, (c) rétegelt [5] A beágyazási formák közül a legelterjedtebb a szálas erősítőanyagok használatával létrehozott kompozitok, mivel a terhelés általában egy jól meghatározható irányból érkezik és ilyen esetben az erősítő szálak megfelelő irányításával a optimális terhelésfelvétel alakítható ki, valamint a textilipar sok évszázados tapasztalata is segít az erősítő szálak feldolgozási formájának kialakításában. A leggyakrabban alkalmazott

13 erősítőanyagok az iparban az üvegszál, a szénszál és az aramid szál [6]. A következő részben ezek kerülnek bemutatásra Aramid szál Az aramid szálak esetében az aromás poliamidok különleges szerkezetéből adódó jó mechanikai tulajdonságokat mint a kiváló húzószilárdságot, ütésállóságot és lángállóságot hasznosítjuk. Két alaptípusuk terjedt el nagyszilárdságú szál-erősítő anyagként: A para-kötéssel kapcsolódó KEVLAR márkanéven forgalmazott parafeniléndiamin-ftálsavamid A meta-kötéssel kapcsolódó NOMEX azaz meta-feniléndiamin-ftálsavamid Mind a kettő száltípust a DuPont cég [8] fejlesztette ki és mutatta be, felhasználási területük azonban eltérő. A para-kapcsolódású KEVLAR szál rendkívül jó szakító szilárdságának köszönhetően (> 3000MPa), valamint magas húzó moduluszával ( GPa) a legerősebb szálak közé sorolható, miközben sűrűsége kicsi. Nagy hőtűrés, hurokszilárdság és energiaelnyelő képesség jellemzi, így elterjedése magától értetődő az olyan területeken, mint a gumiabroncsgyártás, vagy a védőfelszerelések piaca (golyóálló mellény), de versenyvitorlákat is készítenek belőle melyhez a DuPont cég külön kifejlesztette a Kevlar Edge nevű szálat. Azonban ez a szál sem bírja az UV sugárzást valamint a sűrű hajtogatást. Fő ellenfele a Teijin [9] által gyártott Twaron HM szál, melynek UV állósága és nyúlási tulajdonsága jobb. A meta-kapcsolódású NOMEX -et két formában alkalmazzák. Mindkettő előállítási formára igaz, hogy elsősorban nem az anyag nagy szilárdságát aknázzák ki

14 Lemez formában úgynevezett aramid-papírként alkalmazzák az elektronika területén, ahol a szigetelő képességét és hőállóságát kamatoztatják. Kompozitban szőtt kialakításban tipikusan a méhsejtek alapanyaga. Olyan területeken alkalmazzák, ahol az elsődleges szempont a magas hő- és lángállóság. Tipikus alkotóeleme a tűzoltó ruházatnak [1], [8], [11], [16]] Szénszál Ennél a száltípusnál a szénatomok kapcsolódási módjainak sokoldalúságát és sokféle rendezettségi módját, allotrop módosulatát, valamint a grafitos szerkezetet hasznosítják. A szénszálak szerkezetüket tekintve ideális esetben lemezes felépítésűek és elemi szerkezeti egységük a grafitlemez (hatszögletű lamella), melyek síkjának irányába a grafitszerkezet nagy szilárdságot biztosít (4. ábra). 4. ábra A grafit szerkezete [1], [7] Rendkívül nagy orientációjuknak és parakristályos szerkezetüknek köszönhetően kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, valamint a nagy szilárdsággal nagy modulusz párosul. A szénszál alapanyaga elvileg bármely fibrilláris szerkezetű széntartalmú anyag lehet, amennyiben az oly módon elszenesíthető (karbonizálás és grafitosítás), hogy közben ne olvadjon meg és ne égjen el. Ezen alapanyagok lehetnek természetes szálak mint a pamut, len, vagy kender és lehetnek különböző mesterséges polimerek. A számba jöhető anyagok közül szénszálgyártáshoz három alapanyag terjedt el, melyek a PAN, a kátrány, és a műselyem

15 A szénszálgyártás folyamán a prekuzor anyagot első lépésben oxidációs folyamatnak vetik alá, melynek hőmérsékleti tartománya az alkalmazott prekuzortól függ. Elmondható, hogy PAN esetén o C, míg kátrány prekuzor esetén 450 o C körüli hőmérsékleten megy végbe az stabilizáció. Ezután következik a nitrogén atmoszférában történő karbonizáció ( o C), melyben 95 tömeg%-os széntartalom érhető el és az azt követő grafitizáció ( o C), melynek során a széntartalom 95 tömeg%-os szint fölé emelhető (5. ábra). Ekkor nyeri el a szál szerkezete a tiszta szénből álló grafitos szerkezetet. A szálak gyártásának végső fázisa a megfelelő felületkezelés elvégzése, amely a mátrix anyaghoz való minél erősebb tapadást biztosítja. 5. ábra A szénszálak előállításának folyamatábrája, PAN és kátrány nyersanyagok esetén [10] A grafitizáció során alkalmazott hőmérséklet döntő hatással bír a szénszál tulajdonságaira, amit a 6. ábra mutat be

16 6. ábra Hőkezelési hőmérséklet hatása a PAN prekurzorból készült karbon szál szilárdságára és a rugalmassági moduluszára [15] A szénszálak különböző, elterjedt típusait az 1. táblázat tartalmazza. A kész szénszál tulajdonságát nagymértékben befolyásoló tényezők az alapanyag, amelyből a prekuzor készül és a grafitizálás hőmérséklete [1], [7], [10], [15]. Erősítőszál típusa Nagy szilárdságú szálak (HT) Közepes szálak (IM) Magy moduluszú szálak (HM) Nagy szilárdságú és moduluszú szálak (UM) Tulajdonság K d f [μm] ρ [g/cm3] σ [Mpa] E 0 [Mpa] ε s [%] ,76-1, ,5-2, ,76-1, ,5-1, , ,8-2, ,8-1, ,7-1,9 1. táblázat Különböző szénszáltípusok alapvető tulajdonságai [7] Üvegszál Az egyik legrégebb óta használt és legelterjedtebb erősítőszál, melyet több iparágban is alkalmaznak, mint a járműipar, elektronikai ipar, építőipar. Mint szerkezeti anyag a szilikátok családjába tartozik. Fő alkotóeleme a szilícium-dioxid (SiO 2 ), mely

17 az üvegek tömeg% -át adja. A szilícium-dioxid mellett megtalálhatóak különböző fémoxidok, melyek a szilíciummal elsődleges, kovalens- és ionos kötésekkel egyetlen óriásmolekulává egyesülnek. Így az üveg is nevezhető egyfajta különleges polimernek [1]. Az üvegszálak két csoportra oszthatók, az alacsony költségű általános célú szálak és speciális szálak. Több mint 90%-a az összes gyártott üvegszálnak általános célú termék. Ezek a szálak E-üveg néven ismertek. Az E-üveg elterjedése annak köszönhető, hogy költséghatékonyság mellett megfelelő szilárdságot biztosít. Előnye, hogy kiváló elektromos szigetelő, így kedvelt anyaga az elektronika iparnak (nyomtatott áramkörök), valamint a rádióhullámokat torzításmentesen engedi át, ami lehetővé teszi a repülőgépgyártásban (repülőgép radar dome) valamint az antennák gyártásában való felhasználását. A speciális szálak közé tartozik az USA-ban S-üvegként, Európában R üvegként ismert üvegszál típus, melyet eredetileg a védelmi, hadi szektor követelményeinek kielégítésére fejlesztettek ki az 1960-as években %-al nagyobb szilárdságú, mint az E-üveg. Erősítőszál típusa Tulajdonság ρ [g/cm3] E 0 [Gpa] σ [Gpa] ε s [%] d f [μm] E-üveg 2,5-2, ,7-3,5 3 3,5-25 S-üveg 2, ,8 5, táblázat Leggyakoribb üvegszálak főbb mechanikai tulajdonságai [12] A speciális szálak csoportjába tarozik még az ECR-üveg, amely kiváló elektromos és vegyszerálló tulajdonságokkal rendelkezik. Ezen üvegtípust úgy állítják elő, hogy 2 tömeg% ZnO-t és TiO 2 -t adagolnak az alap üveghez. Viszont ezek az összetevők igen költségesek, így nagy mértékben növelik az ECR üveg árát, aminek következménye, hogy csak akkor alkalmazzák, amikor elkerülhetetlen. Léteznek további specifikus üvegszálak, mint az emelt moduluszú M-üveg, a C- üveg, amelyet jó kémiai tulajdonságok jellemeznek, az A (alkáli) üveg, melynek magas a lúgállósága, valamint az alacsony dielektromos állandójú D-üveg. Az üvegszálak gyártási folyamata 1250 o C-on, ömledék előállításával kezdődik. Ebben a fázisban kerülnek bele azok az adalékanyagok, amelyek a későbbi, megkívánt

18 tulajdonságokért felelnek. Ezután a szálképző fejen át nagy sebességgel (3000 m/min) nagy szilárdságú szálakat hoznak létre 3,5-25 μm átmérőtartományban, de a jellemző átmérő méret a μm. 7. ábra Üvegszál gyártás folyamata [13] A megdermedt szálak felületkezelést igényelnek. Elsődleges kezelés a szálak írezése, mely ideiglenes védelmet ad a szálaknak a feldolgozás alatt, valamint a szálak összetartását is növeli. Ezen kívül a mátrix anyaghoz való minél erősebb kapcsolat segítését szolgáló bevonatot is juttatnak a szálra. Ezek után már feldolgozásra készen áll a szál, melynek több módja is lehetséges. Legalapvetőbb a rovingként való felhasználás. Elterjedt a fonal vagy szálpaplan erősítés is, valamint amikor rovingokat valamilyen 2D-s vagy 3D-s struktúrába rendezve alkalmazzák. [1], [11], [12], [13] 2.3. Erősítő anyagok felhasználási módjai Az szálas erősítő anyagokat felhasználás szempontjából több módozatban használják attól függően, hogy a terhelés iránya milyen. Vannak melyek egy irányból képesek a terhelés felvételére. Ezek a fonal, a roving, az unidirekcionális kelmék valamint a szalagok. Abban az esetben, ha a terhelés több irányból hat a kész termékre mindig a megfelelő irányítottságú erősítőstruktúrát alkalmazzák. Ilyen struktúra lehet például a szálpaplan, vagy a rovingokból szőtt szövet

19 Egydimenziós erősítőstruktúrák Ez a felhasználási mód nevezhető a legegyszerűbbnek. Előállításuk közvetlenül az alapanyagból történik. Szerkezetük miatt egy irányban képesek a terhelést felvenni (8. ábra). 8. ábra Irányított szál polárdiagramja [22] A roving gyártása során a kész filamenteket sodrat mentes pászmába rendezik, majd ezekből párhuzamos kötegeket állítanak elő. A rovingoknak két típusát különböztetjük meg a direkt- és az egyesített (assembled) rovingot. A két típus közötti különbség a gyártási technológia jelenti, így a felhasználási területük is különbözik. A direkt roving esetében a szálköteg előállítása egy munkafolyamattal történik közvetlenül a lehúzáskor egyesített szálakból (pászma). Elsősorban vágott üvegszálként alkalmazzák. Amennyiben olyan szerkezetről van szó, melynél fontos a kiemelkedő mechanikai sajátosság (tartályok, csövek, hídelemek, nagyobb járműalkatrészek) akkor az egyesített rovingot alkalmazzák. Előállítási módja nagyban eltér a direkt rovingtól, itt ugyanis a szálköteget előre előállított pászmából készítik, több pászmadobról lehúzva egyesítéssel. Másik nagy csoportja az 1-dimenziós struktúráknak a fonalak. Gyártásuk során a szálaknak sodratot adnak és így egyesítik őket. Az így előállított fonalakat már önmagában is lehet alkalmazni, azonban ennek a termékkörnek felhasználása során többnyire több ilyen sodratos pászmát egyesítenek egymással, szintén sodrással. Így

20 készül többek között a cérna és a vastagabb kötegek. Az üvegszálból készített fonalakat minden olyan ipari ágban alkalmazzák, ahol fontos szempont, hogy az adott fonal nagy szakítószilárdságú, hőálló (nem éghető), vegyszerekkel, olajokkal szemben ellenálló legyen és minimális legyen a hődilatációja. [7], [11],[22] Kétdimenziós erősítőstruktúrák Ebbe a csoportba tartoznak a különféle paplanok és a különböző módon szőtt szövetek, de kompozitokban alkalmazzák a fektetett kelméket és a széles szalagokat is Szálpaplan Szerkezetükből adódóan, amit a szálak rendezetlen elhelyezkedése jellemez közel azonos teherviselést képes felvenni minden irányban, azonban messze nem olyan mértékben, mint az irányított erősítő struktúrák (9. ábra), mégis az említett tulajdonsága és mérsékelt ára miatt régen bevált erősítőanyaga a hajó- és autógyártásnak. 9. ábra Paplan szerkezet polár diagramja [22] Alapanyaguk a fonócsévéből kihúzott, rövidre vágott szálak, melyeket a szálpaplan gyártási folyamatának részeként szórással juttatnak egy szállítószalagra

21 Ezek után kötőanyagot permeteznek rá, amely összefogja a szálakat. Ezen egyszerű gyártási folyamatnak köszönhető a szálpaplanok mérsékelt ára. Kötőanyag szempontjából két csoportra oszthatóak a paplanok. Első csoport a porkötésű paplanok. E paplantípusra jellemző a kiváló impregnálhatóság, valamint a könnyebb formázhatóság és hajlíthatóság. A másik csoport az emulziós kötésű paplanok, melyek fő tulajdonsága, hogy a kötőanyag lassabb feloldódása több idő áll rendelkezésre a feldolgozásra mint a porkötésű paplanok esetén. A gyantába való beágyazáskor mindig a gyantához való kötőanyag felvitele szükséges. Az alkalmazásukkor minden esetben szem előtt kell tartani, hogy a kiválasztott paplan erősítőanyag milyen struktúrával és hajlítómodulusszal rendelkezik, hiszen, ezen tulajdonságok döntő szerepet játszanak a főleg kis ívű hajlatok követése szempontjából. Mivel az epoxi gyantában a kötőanyagok nehezebben oldódnak így elsősorban a poliészter- és vinilészter gyantákkal való párosítás az elterjedt [17], [18], [24] Szövet Ugyancsak jellemzően a kétdimenziós erősítések közé tartozik, de ellentétben a paplan struktúrával ezen anyagokat specifikusan a terhelési irány függvényében alkalmazzák, azaz a felhasználás során a szálak orientációja megegyezik a későbbi terhelési iránnyal. Az ilyen erősítő textíliákat erősítőszövetnek nevezik (10. ábra). 10. ábra Szövött anyagok polár diagramja [22]

22 Az eddig említett erősítések közül ennek létezik a legtöbb változata, mivel több féle módon lehet az anyagokat szőni, ráadásul nem csak rovingok alkothatják, hanem fonalak is, valamint ezek kombinációja. Ezért is áll előkelő helyen műszaki textíliák területén. A szövet fektetési irányát a terhelési irányon túl befolyásolhatja a kívánt termék geometriája, mivel sokszor a 0 o -90 o os irány nem képes felvenni a termék alakját, így más szögbe állítva (mely optimális alakfelvételt biztosít) alkalmazzák. Szövési fajtákat tekintve a legelterjedtebb eljárás az úgynevezett vászonkötés, melyben a lánc-, és vetülékfonalak váltakozva keresztezik egymást, ezáltal az üvegszálak eloszlása egyenletes. További alkalmazott szövési struktúrák a sávolykötés, amiben a vetüléket egyszer a lánc fölött, utána többször a láncfonal alatt vezetik, majd ezt periódikusan ismétlik. Így kialakul a szálak kereszteződésének eltolódása átlós irányba. A másik szintén gyakran alkalmazott szövési típus az atlaszkötés, mely nagyban egyezik a sávolykötéssel, azonban nagy különbség, hogy nem érintkeznek a kötéspontok, valamint úgynevezett fonallebegés található benne (11. ábra). 11. ábra Alapkötések [19] A szövetek eddig említett tulajdonságai már eleve meghatározóak lehetnek a választás szempontjából mégis az egyik legfontosabb szempont a g/cm 2 ben mért

23 négyzetméter tömeg, mely függvénye a fonalvastagságnak, a szövési sűrűségnek és a szövési típusnak, így adatot hordoz magában mind a szövet vastagságáról és a felépítő szál mennyiségéről. Mindenképpen számolni kell ezen tulajdonsággal, mivel döntő szereppel bír a kész kompozit laminát vastagságára és súlyára, melyek sok esetben nagyon fontos kritériumok gondolva itt többek között a járműiparra [17], [18], [19], [24],[25] Vizsgálati módszerek a mechanikai tulajdonságok meghatározásához Ez a fejezet a szőtt erősítőstruktúrák különböző vizsgálati módszereivel foglalkozik. A vizsgálatok célja általában az alkalmazott anyagok tulajdonságainak (fizikai, kémiai, mechanikai, technológiai), anyagjellemzőinek a meghatározása es az esetleges anyaghibák kimutatása. Ezen tulajdonságok közül a kiválasztott anyag mechanikai tulajdonságaival foglalkoztam vizsgálataim során, így üvegszöveten végeztem uniaxiális húzó-, nyíró- és szálkihúzási vizsgálatokat, valamint biaxiális húzóvizsgálatot Uniaxiális vizsgálatok Ebbe a csoportba tartoznak a különféle húzási és nyírási mérések, melyek közös tulajdonsága, hogy a teherviselő anyagok szálirányú (uniaxiális) tulajdonságait tudjuk meghatározni velük. Az itt említett vizsgálati módszerek módjukat tekintve a statikus anyagvizsgálati módszerek csoportjába tartoznak, tehát az igénybevétel időben állandó, vagy csak igen lassan,egyenletesen változó. A húzó vizsgálat elvégzéséhez szükséges berendezés a szakítógép. Egy ilyen berendezés szerkezeti felépítését mutatja be a 12. ábra

24 Mechanikus vagy hidraulikus terhelés erőmérő cella álló befogó Próbatest finom útadó (jeltáv) Durva útadó (befogó fej) mozgó befogó v = állandó 12. ábra Szakítógép elvi felépítése A mérési folyamat során a szakítógépre kötött számítógép a beérkező adatok alapján a próbatest összes megnyúlásának függvényében rajzolja meg a próbatest által felvett erőt, de ettől eltérő módozatok is lehetnek - σ-ε diagram -. Erősítő szövet esetén ennek a mérési módszernek a hátránya, hogy a vizsgálat során a szövetben lévő róvingok A nyírási kísérlet elvégzéséhez, akárcsak a húzás esetén szintén a szakítógép alkalmazható, azonban a próbatesthez igazodó befogóra van szükség. Ez eltérő polimerek, kompozitok vagy szálas erősítőstruktúrák esetén (13. ábra). 13. ábra Nyírási vizsgálatok módozatai a, nyomó igénybevétellel; b,hajlító igénybevétellel; c, erősítő szövetek nyírása

25 A próbatesteket a nyírási vizsgálatokhoz ISO szabványokban meghatározott módon kell kialakítani. Az erősítőszövetek nyíróvizsgálatának elvégezésére több vizsgálati módszer is létezik. Mohammed és társai cikkükben [23] a szövet nyírási tulajdonságainak meghatározására három mérési módszert mutattak be. A vizsgálati módszereket különböző berendezéseken lehet elvégezni. A bemutatott és alkalmazott mérési módszerek a KES-FB, az átlós írányú húzóvizsgálat és a keretes vizsgálat voltak. 14. ábra Nyíróvizsgálati módszerek Az átlós irányú húzóvizgsálat esetén a mérést a szakító géphez tartozó egyszerű próbatest befogókkal végzik. Ekkor a vizsgálni kívánt szövet nyíródeformációját húzással vizsgáljuk úgy, hogy a szövetből a mintákat a vetülék irányhoz képest 45 o -os irányban kivágva alkalmazzuk. Ezen esetben a szövet előkészítése folyamán szükséges hosszirányban és arra merőlegesen 2-2 vonalat felrajzolni. Ezek a vonalak adnak segítséget a minta szélességcsökkenésének és nyúlásának optikai úton történő rögzítéséhez, amely adatokból a nyírási szög valamint a nyíróerő egyszerű összefüggéssel meghatározható [26]

26 a, b, 15. ábra Nyíróvizsgálat átlós irányú húzóvizsgálattal [26] a, a vizsgálati minta terheletlen és terhelt állapotban ; b, képsorozat a vizsgálat közbeni deformációról A nyíró vizsgálat elvégzésére kifejlesztett mérési eljárás az úgynevezett keretes teszt. Ekkor az előre meghatározott méretre vágott mintadarabot egy erre a célra gyártott befogóba rögzítik. A mérő berendezést a 15. ábra szemlélteti. 16. ábra A keret sematikus diagramja (a,) és a keretbe fogott mintadarab (b,) képe [27]

27 A méréshez szükséges mintadarabot a benne lévő lánc- és vetülékirányú rovingok alapján kell kivágni. Erre a mintadarabot befogó készülék miatt van szükség, mivel amennyiben a rovingok száma nagy, akkor a mérési folyamat alatt a nyírási vizsgálat nem fog megfelelően végbemenni. Így minden esetben indokolt a mérés megkezdése előtt a szövetet alkotó roving alapanyagának figyelembe vételével ezt a méretezési folyamatot végrehajtani [27]. A keretes mérési módszerhez hasonlító mérési technológia a biaxiális méréskehez is alkalmazott befogók segítségével elvégezhető nyíróvizsgálat. Ennél a vizsgálati módszernél a mintadarabot 45 o -os irányban vágják ki és fogják be. A minta négy ponton történő befogásával az egyszerű húzóvizsgálattal történő nyírási vizsgálat alatt keletkező torzulást küszöbölik ki [28]. 17. ábra Nyíróvizsgálat biaxiális befogóval [28] Az említett nyíróvizsgálatokat Potluri és társai [29]is alkalmazták. Vizsgálataik alapján megállapították, hogy az átlós irányú húzóvizsgálat esetén a vizsgálatból kapott nyírófeszültségek közel állnak a KES-FB berendezéssel mértkehez,míg a keretes vizsgálat esetén befogási problémák léphetnek fel, és emiatt a befogáshoz közeli területeken nem alakul ki tiszta nyírás, így a mérési eredmények pontatlanná válnak. Lomov és társai szintén foglalkoztak cikkükben [30][31] az átlós irányú húzással és véleményük szerint a keretes vizsgálattal szembeni előnye az egyszerűsége, továbbá, hogy a fonalvégek szabadok a tiszta nyírás zónájában, így a mérés jobban közelíti a valóságban

28 előforduló nyírást. Egyedüli hátrányként a képfeldolgozás következtében esetlegesen adódó pontatlanságot említik Biaxiális húzóvizsgálat Ennek a vizsgálatnak az elvégzésekor az anyagot kétirányú igénybevételnek teszik. Szőtt anyagok esetén ez a vizsgálat különösen indokolt lehet, mivel a szövési eljárás alatt a lánc- és vetülékfonalak más terheléseket kapnak, valamint más tulajdonságúak is lehetnek. Mind két típusú fonalnál megfigyelhető a súrlódásból adódó terhelés, de míg ezen igénybevétel mellett a vetülékfonal többnyire kis mértékű húzó igénybevételnek van kitéve, addig a láncfonalaknak ennél nagyobb dinamikus igénybevételt kell elviselniük. Ezeket természetesen lehet külön mérni uniaxiális vizsgálatokkal, de mégis a biaxiális húzóvizsgálat az, mely teljesebb képet ad a már kész erősítőtextíliáról, mivel a befogó készülék egyszerre adja át a terhelést mind két iránynak. Ezt szemlélteti a 18. ábra. 18. ábra Biaxiális vizsgálat során a próbatest igénybevétele [32] Másik fontos előnye a biaxiális vizsgálatnak, hogy míg egy uniaxiális vizsgálat során a szövet tulajdonságaiból adódóan ha terhelést kap akkor a rovingok igyekeznek a terhelés irányába rendeződni, így torzulhat a szövési minta. Biaxiális vizsgálat során, mivel mind a két irány egy időben kapja a terhelést így az jobban megőrzi eredeti alakját és tisztán mérhető a szilárdsága jelentősebb deformáció nélkül [34]

29 A berendezés kialakítására sokféle megoldás és módszer létezik és igazából a mérnöki kreativitás és gyárthatóság szab határt a módozatoknak. Ezt a 19. ábra is bizonyítja, melyen egymástól teljesen eltérő konstrukció látható. a,[34] b, [33] 19. ábra Biaxiális befogótípusok Kawabata rendszer A KES rendszert Kawabata fejlesztette ki 1968 és 1978 között. A rendszer megalkotása felváltotta az addigi szubjektív kézi tapintással történő fogás, mint anyagjellemző megállapítását és így a fogást mint kelme tulajdonságot mérésekkel, objektíven lehet meghatározni. Öt kelmetípus csoportot alakított ki, majd a rendszer létrehozásához csoportonként 500 reprezentatív mintával igyekeztek a minél pontosabb eredményt elérni. Ennek módja az volt, hogy a szakértők által megvizsgált anyagokat bevizsgálták a KES mérőrendszeren is. A vizsgálati eredmények elemzésével és összevetésével a kapcsolatot keresték a szubjektív tapintási tulajdonságok és az objektív mérhető tulajdonságok között, amely segítségével megalkották a meghatározásra szolgáló számítógépes rendszert. Maga a KES rendszer öt vizsgálati részre osztható (20. ábra)

30 20. ábra Kawabata rendszer Ezek mindegyike más-más vizsgálatok elvégzésére alkalmas ezzel objektíven meghatározva az anyagtulajdonságokat. Az öt vizsgálati módszer elvégzésére a KES rendszerben négy különböző készülék áll rendelkezésre, amelyekkel 16 különböző, a fogás szempontjából fontos fizikai tulajdonság határozható meg (3. táblázat). 3. táblázat KES-FB berendezéssel mérhető mechanikai tulajdonságok [35]

31 Greuel és társai cikkükben [35] részletes leírást készítettek a KES rendszer céljáról és a rendszert alkotó berendezések és az azokkal elvégezhető mérések kiértékelésének menetéről. A KES FB-1 készülékkel végezhető el a mintadarab húzó- és nyíró vizsgálata. A húzó vizsgálat a DIN vizsgálat előírásaihoz hasonlóan végezhető el. A 200x200 mm méretű próbatest befogása úgy történik, hogy annak egy 50x200 mm-es része marad szabadon és a húzó vizsgálat azon megy végbe. A vizsgálat során az első rögzített befogó berendezéshez képest a hátsó feszítő állandó sebességgel mozog. a mérés végeztével megkapjuk a maximális húzóerőhöz tartozó relatív nyúlást (EMT) lánc- és vetülékirányban. A nyíró vizsgálat hasonlóképpen végezhető el, azzal a különbséggel, hogy ekkor a hátsó mozgó rögzítő berendezés oldalirányban az elsővel párhuzamosan mozdul el. A minta előfeszítése ekkor egy 200g-os súllyal történik A mérés mind a két irányban elvégzésre kerül 8 o -osnyírási szögig [35], [37], [38], [39]. 21. ábra KES FB-1 berendezés felépítése [36]

32 3. Kísérleti rész Ez a fejezet foglalkozik a vizsgálatokhoz szükséges próbatestek előkészítésének a menetével. Ismertetésre kerülnek az alkalmazott vizsgálati módszerek, melyek a rovingszakítás, sávszakítás, nyírásvizsgálat, rovingkihúzás, súrlódásmérés és a biaxiális húzás voltak, valamint tartalmazza a mérések folyamán megkapott adatok értékelését is A vizsgálatokhoz szükséges próbatestek előkészítése A vizsgálatok elvégzéséhez kiválasztott erősítőanyag az üvegszövet volt. Indoklása az anyagválasztásnak, hogy jelenleg ez az erősítőanyag az egyik legelterjedtebb az ipari alkalmazásban köszönhetően az árához viszonyított jó mechanikai tulajdonságainak. Az üvegszövetnek különböző változatai megtalálhatóak a mindennapi használati eszközöktől az autóiparon át a legfejlettebb technológiákat felvonultató Airbus A380 repülőig [40], melynek a törzs felső héjához kifejlesztett Glare nevű anyagot alkalmazzák, amely egy laminát, ami alumínium- és üvegszálrétegeket tartalmaz. Ezen túlmenően alkalmazzák a haditechnikában is az üvegszövet erősítést. A vizsgálatokat így üvegszöveten végeztem, mégpedig a Krosglass által gyártott STR es kódszámú szöveten, amelynek paramétereit az 1. melléklet tartalmazza. A különböző vizsgálatokhoz eltérő méretben és más módon volt szükséges a próbatestek előállítása. A próbatestek kivágással készültek a feltekercselt üvegszövetből az alábbi méretekben. Sávszakításhoz 70x300 mm-es próbatestek kerültek kivágásra, melyeket foszlattam és a mérés 50x200 mm méretben történt. A nyíróvizsgálat próbatestei 200x150 mm méretűek voltak. A minél pontosabb modell felállításához ezt a két vizsgálatot 0-90 o között 15 o -os lépcsőkben végeztem, valamint minden változatban 5 db mérést csináltam. Nyíró vizsgálatnál továbbá elvégeztem 0 o -on különböző befogási távolságokban az anyag vizsgálatát. A szálkihúzás vizsgálatot a nyíróvizsgálattal megegyező méretű mintákon hajtottam végre 0 0 -os szögben. A rovingszakítás esetében külön elvégeztem a lánc-és vetülékirányú vizsgálatot. Végül a biaxiális vizsgálathoz

33 került kivágásra a szükséges vizsgálandó próbatest. A mintadarab szárai 200x100 mm méretűek voltak, így a középső, terhelt rész egy 100x100 mm-es négyzet volt Az elvégzett vizsgálatokhoz alkalmazott berendezések Ez a fejezet ismerteti a vizsgálatok során használt mérőberendezéseket, azok szabványos és különleges alkatrészeit. A vizsgálatokat minden esetben szobahőmérsékleten végeztem Rovingszakítás A rovingszakításnál a felhasznált berendezés a Z005-ös típusú sávszakító gép volt. A mérés folyamán minden rovingot azonos méretűre vágtam és külön digitális mérlegen lemértem. Ezek után került sor a szakításra Sávszakítás A sávszakítást Zwick Z005-ös típusú sávszakító gépen végeztem, melynek alsó befogási pontja a rögzített. Adatlapját a 2 melléklet tartalmazza. A szövetet a géphez rendszeresített 10 kn-os befogószerkezettel rögzítettem, melyhez hullámos, gumis betétet alkalmaztam, ezzel csökkentve az esetleges kicsúszást (22. ábra). A mérés során 5 kn maximális erővel terhelhető mérőcellát alkalmaztam

34 22. ábra Szakító gép és tartozékai sávszakításhoz a, befogó készülék betét ; b, befogó készülék ; c, szakító gép Nyíróvizsgálat A nyíró vizsgálatot Zwick Z005-ös berendezésen végeztem azonban ennél a mérésnél egy külön erre a célra kifejlesztett befogót alkalmaztam. Működési elve, hogy a szövetet a két szélén fixen befogatjuk az alsó álló keretbe, amely oldal irányban szabadon mozoghat. Ezek után egy meghatározott előfeszítést adunk a próbatestnek, melyet egy rugó biztosít. Az így befogott próbatest középvonalában ráfogatjuk a mozgó befogóra szerelt, a próbatesttel egy vonalban történő húzására alkalmas befogót (23. ábra)

35 23. ábra Nyíróbefogó a, lebillentve anyagbefogáshoz ; b, a mérés megkezdése előtt Rovingkihúzás vizsgálat A rovingkihúzási vizsgálat során a nyírási vizsgálathoz alkalmazott berendezést és kiegészítőket alkalmaztam 2 változtatással. Ennél a mérésnél a 20 N-os erővel terhelhető mérőcellát használtam, valamint a szálkihúzáshoz a berendezéshez alkalmazható szálszakító fejet használtam, amelyet a mozgó fejre fogattam fel. Ezzel a fejjel lehetséges volt egyetlen roving megfogása és kihúzása a mintából (24. ábra)

36 24. ábra Nyíróbefogó szálkihúzó vizsgálathoz a, előkészített anyag befogása ; b, a roving befogása a szálszakító fejbe Biaxiális vizsgálat A biaxiális vizsgálat lényege volt, hogy egy adott próbatestet egyszerre vessünk alá két irányból történő húzásnak. Ezt a műveletet Zwick Z020 típusú szakítógépen végeztem melyre a külön erre a célra tervezett biaxiális befogót szereltem fel (25. ábra). A befogó szerkezet úgy van kialakítva, hogy a megegyező irányba terhelő befogási pontok a gép azonos csatlakozási pontjára vannak rákötve, így megoldva az uniaxiális gép biaxiális vizsgálatra történő alkalmazását. 25. ábra Biaxiális befogó működés közben

37 3.3 Mérések értékelése Ez a fejezet foglalkozik a vizsgálatok során mért adatok értékelésével, ezáltal a minél pontosabb mechanikai modell felállításával. Ennek érdekében a vizsgálatok során nem csak a szövetet mint egységet vizsgáltam, hanem visszabontva a struktúrát egészen a rovingokon át az azt felépítő fonalakig végeztem a vizsgálatokat. Amint ez majd a későbbiekben látható ez nélkülözhetetlen volt a vizsgált anyag esetén Roving szakítás Erre a vizsgálatra mindenképpen szükség van a szövetet alkotó rovingok pontos ismerete miatt. Erre több okból is szükség lehet. Az egyik ok, hogy összevethető legyen az, hogy mennyiben változik a szövet viselkedése ahhoz képest, hogy szövetként szakítunk és nem csak a szakítási iránynak megfelelő roving számmal foglalkozunk. A másik ok az, hogy sok esetben, mint a vizsgált anyagnál is a lánc és vetülék irányú rovingok nem egyeznek. A különbségek a kiértékelés során is nyomon követhetőek voltak, mind a rovingra jellemző lineáris sűrűség különbségekben (4. táblázat) mind a szakítószilárdság és rugalmassági modulusz esetén (26. ábra, 5. táblázat) Különbség tex tex % 1 176,27 270,67 34, ,20 272,00 36, ,31 270,33 34, ,22 267,00 27, ,97 274,33 20, ,29 272,33 27, ,44 263,33 21, ,75 269,67 31, ,22 272,00 28, ,88 269,33 35,81 Szórás 15,21 3,10 Átlag 189,25 270,10 29,92 4. táblázat Lánc és vetülék irány közötti lineáris sűrűség különbség

38 26. ábra Roving szakító diagramja lánc- és vetülék irányban a, lánc irány ; b,vetülék irány sz sz Különbség E E Különbség MPa MPa % MPa MPa % Szórás 76,49 88,13 19,29 28,3 Szórás Átlag 593,2 636,1 6, ,6 443,4 2,896 Átlag 5. táblázat Lánc és vetülék irány közötti szakítószilárdság és rugalmassági modulusz különbség Az eltérés oka, nagymértékben a felhasznált rovingok közötti lineáris sűrűség eltérés. Azonban amennyiben a mért adatokat áttekintjük, feltűnik, hogy a gyár által megadott lánc irányú rovingok esetén 200 tex-es és vetülék irányú rovigoknál megadott 300 tex-es értékek eltérnek az általam mértektől, de az eltérés nem jelentős. Az eltérés adódhat egyrészt a gyártás során elfogadható mérettűrésből, de oka kereshető a szövési eljárásban, mivel ezen eljárásnál a rovingok bizonyos terheléseket kapnak (súrlódási, dinamikus), így megvalósulhat, hogy a kész termékben a rovingok nem azonos mechanikai tulajdonságokat mutatnak

39 0 90 Mért adat Különbség Mért adat Különbség tex % tex % 176,27 11,86 270,67 9,78 172,20 13,90 272,00 9,33 178,31 10,85 270,33 9,89 193,22 3,39 267,00 11,00 217,97 8,24 274,33 8,56 197,29 1,36 272,33 9,22 206,44 3,12 263,33 12,22 184,75 7,63 269,67 10,11 193,22 3,39 272,00 9,33 172,88 13,56 269,33 10,22 6. táblázat Rovingok tex értékének eltérése a gyári megadott értéktől Sávszakítás A vizsgálat során az üvegszövet egytengelyű húzóvizsgálatát végeztem el. A vizsgálat során tapasztalható volt az anyagra jellemző tulajdonság, miszerint a terhelést két kitüntetett irányban - 0 o és 90 o (lánc és vetülék) - képes nagy mértékben felvenni, mivel ekkor vesz részt a szakítási folyamatban a legtöbb roving (27. ábra). 27. ábra Szövet sávszakítása 0 o -os és 90 o -os kivágási iránynál a, 0 o ; b, 90 o

40 Eltérés volt tapasztalható e két irány között és ezt a kiértékeléskor kapott értékek is alátámasztják (7. táblázat, 8. táblázat). 0 o 90 o Különbség sz sz [Mpa] [Mpa] % Átlag 149,9 219,5 31,71 Szórás 10,54 13,28 7. táblázat Szövet szakítószilárdsága 0 o -os és 90 o -os kivágási iránynál 0 o 90 o Különbség E [Mpa] E [Mpa] % Átlag ,59 Szórás 190,7 371,3 8. táblázat Szövet rugalmassági modulusza 0 o -os és 90 o -os kivágási iránynál Jelentős a különbség a szakítószilárdságban (30-35%) és a rugalmassági moduluszban is (10-20%). Ezt az eltérést nagy részben a szövetben alkalmazott különböző lineáris sűrűségű rovingok alkalmazása okozza, mivel mindkét kivágási irány esetén a mintadarab 25, a terhelés felvételében részt vevő rovingot tartalmazott és ezek a rovingok más lineáris sűrűségűek lánc- és vetülék irányban A további sávszakítási vizsgálatokban észlelhető volt, hogy a kivágási szög függvényében mennyire drasztikusan csökkenhet az a maximális feszültség, melyet képes felvenni az üvegszövet. Ennek magyarázata, hogy a befogás során egyre kevesebb az a roving mennyiség, mely a mérés során részt vesz a terhelés felvételében, így a sávszakítási vizsgálat során nem szakadnak a rovingok, hanem a terhelésfelvétel a szövet szétcsúszásából adódik. A mérés során felvett diagramokat a jobb szemléltetés végett olyan formában csoportosítottam, hogy a lánc és vetülék irányban lévő rovingok közötti különbség itt is jól megfigyelhető legyen (28. ábra). Azonban ezen esetekben a tapasztalt eltérés nem jelentős. Ez azzal magyarázható, hogy a savszakítás folyamán, ezen szögeknél rovingok

41 nagyon kis számban vagy egyáltalán nem vesznek részt a folyamatban, így csak az egymáson elcsúszó rovingok által generált súrlódási erő volt jelen

42 28. ábra Szövet sávszakítása különböző kivágási irányoknál a, 15 o ; b,75 o ; c, 30 o ; d,60 o ; e,45 o Amennyiben az adatok kiértékelése folyamán kapott eredményeket az irányoknak megfelelően összevetjük még inkább látható, hogy nincs meg az a jelentős különbség, mely tapasztalható volt a 0 o -90 o -os irányok esetén. 15 o 75 o Különbség 15 o 75 o Különbség sz sz [Mpa] [Mpa] % E [Mpa] E [Mpa] % Átlag 0,899 1,474 39,02 42,87 17,39 59,42 Átlag Szórás 0,046 0,495 31,73 5,372 Szórás 9. táblázat Szövet szakítószilárdsága és rugalmassági modulusza 15 o -os és 75 o -os kivágási irányoknál 30 o 60 o Különbség 30 o 60 o Különbség sz sz [Mpa] [Mpa] % E [Mpa] E [Mpa] % Átlag 0,856 0,899 4,776 8,744 10,45 16,38 Átlag Szórás 0,206 0,046 1,732 2,241 Szórás 10. táblázat Szövet szakítószilárdsága és rugalmassági modulusza 30 o -os és 60 o -os kivágási irányoknál

43 45 o 45 o sz [Mpa] E [Mpa] Átlag 0,8105 9,7358 Szórás 0, , táblázat Szövet szakítószilárdsága és rugalmassági modulusza 45 o -os kivágási iránynál Polárdiagram mutatja be a kiértékelés során kapott eredményeket a kivágási irányoknak megfelelően (29. ábra). 29. ábra Üvegszövet polárdiagramja a, szilárdsági polárdiagram ; b, Young-modulusz polárdiagram Ami minden egyes iránynál elmondható, hogy az E-üvegre jellemző 2,5 GPa körüli szakítószilárdságtól kisebb terhelésnél következett be a szövet tönkremenetele. Ez magyarázható azzal, hogy a mérés során a szövetre úgy tekintettünk, mint egy homogén testre. Azonban könnyen belátható, hogy ez csak egy közelítésnek jó. Ha megvizsgáljuk a szövet szerkezetét könnyen belátható, hogy a próbatest nem homogén. Sok benne az olyan rész, ahol csak levegő van, valamint a szakítás során minden esetben csak az abban az irányban orientálódó rovingok vesznek részt. Így egyértelmű volt, hogy szükséges egy olyan modell felállítása, ahol a szakítás során keletkező

44 igénybevételt felvevő rovingokkal foglalkozunk. Ekkor a szakítás előtt megvizsgáljuk a próbatestet, hogy az adott szög esetén mennyi roving fog részt venni a terhelés felvételében, majd azok egyenkénti szakítószilárdságának összegzésével megnézzük, hogy mekkora elméleti feszültségnél kellett volna bekövetkeznie a tönkremenetelnek. A sávszakítás során résztvevő rovingok számát szögenként bontva a 12. táblázat tartalmazza. Kivágás iránya Rovingok száma Lánc irányú rovingok Vetülék irányú rovingok táblázat Szövetben terhelést felvevő rovingok száma A szög függvényében drasztikusan változik a terhelésfelvételben részt vevő rovingok száma, így érthető a szövet mechanikai tulajdonságaiban bekövetkező jelentős változás akkor, amikor más szögben vágjuk ki. A rovingonkénti számítás esetén 30 o, 45 o és 60 o esetén azt kapjuk, hogy rovingok híján, azok húzásából nincs terhelésfelvétel. Ezzel ellentétben a vizsgálatok során mégis mérhető volt húzófeszültség anélkül, hogy rovingszakadás történt volna. Ennek magyarázata a szövetben lévő rovingok egymáson való elcsúszása közben fellépő súrlódás. Tovább foglalkozva a két főiránnyal (lánc-és vetülékirány) érdemes a lineáris sűrűség kiszámításával megvizsgálni a szakítószilárdságot és a rugalmassági moduluszt, hiszen ezzel a szövetben található nagy mennyiségű levegőt tartalmazó részt kiiktatjuk a számításból, így már egy a valósághoz közeli állapotot érünk el. 13. táblázat). Kiszámítva a lineáris sűrűségeket a vártnak megfelelően alakulnak a húzószilárdsági értékek és nagy mértékű növekedés következett be ( 0 o 90 o Különbség sz [Mpa] sz [Mpa] % Átlag 489,8 717,3 46,4 Szórás 34,44 43,4-44 -

45 13. táblázat Szövet húzószilárdsága lineáris sűrűséggel számítva Természetes a rugalmassági modulusz is látszólag módosulni fog ebben az esetben és a húzószilárdság növekedéssel arányosan amint ez látható is (14. táblázat). 0 o 90 o Különbség E [Mpa] E [Mpa] % Átlag 14467, ,36 Szórás 623, táblázat Szövet rugalmassági modulusza lineáris sűrűséggel számítva Nyírás A nyíróvizsgálat során vizsgáltam az anyag nyírási igénybevétellel szembeni viselkedését és az ilyen irányú terhelésre adott reakcióit. A mérés során egyaránt vizsgáltam azonos befogási táv mellett, különböző befogási szögeknél az anyag viselkedését, valamint egy adott szögben elvégeztem a különböző szélességű minták vizsgálatát. A befogási szögeket az általános beágyazási irányoknak megfelelően 0 o -90 o között 15 o.os lépésekben választottam meg, mivel ettől eltérő szögekben csak ritka esetekben alkalmazzák a szövet erősítést. A mérés folyamán rögzített F - l diagramokat a 30. ábra mutatja be

46 - 46 -

47 30. ábra Nyíró vizsgálat berendezés által rögzített diagramjai a, 0 o -os befogás, b, 15 o -os befogás, c, 30 o -os befogás, d, 45 o -os befogás, e, 60 o -os befogás, f, 75 o -os befogás, g, 90 o -0os befogás Az alkalmazott befogó használatával a mérés folyamán készült grafikonokból már lehet látni, hogy az anyag mikor lépet a nyírási fázisba és mikor érte el azt a pontot a vizsgálat amikor már nem lehet tiszta nyírásról beszélni. Az anyagra jellemző nyírási rugalmassági modulusz kiszámításához szükséges volt a nyírófeszültség, valamint a nyírási szög meghatározásához. A vizsgálat folyamán mért erőkből kiszámítható a próbatest geometriájának ismerete mellett a nyíró feszültség, valamint a nyírási szög is meghatározható egyszerű geometria összefüggéssel a befogási távból és az elmozdulás Δl mértékéből ( sin θ (1). L Δl sin θ (1) L A kiszámított nyírófeszültségeket és nyírási szögeket egy τ - θ diagramban ábrázolva (31. ábra) már ténylegesen látszik az a határ, ami már a berendezés által megadott grafikonból is látható volt, azaz, hogy hol kezdődik és ér véget a tiszta nyírási szakasz

48 - 48 -

49 31. ábra Nyírófeszültség a nyírási szög függvényében azonos befogási táv mellett, de eltérő befogási szögeknél a, 0 o -os befogás, b, 15 o -os befogás, c, 30 o -os befogás, d, 45 o -os befogás, e, 60 o -os befogás, f, 75 o -os befogás, g, 90 o -os befogás A tiszta nyírási szakasz ismeretében már alap összefüggéssel számítható az anyagra jellemző nyírási rugalmassági modulusz (G). A kiszámított G értékeket a 15. táblázat tartalmazza és a 32. ábra szemlélteti. Befogási szög G [Mpa] 1,852 2,783 4,575 9,461 4,429 2,678 1, táblázat Nyíró rugalmassági modulusz különböző befogási irányoknál

50 32. ábra Nyíró rugalmassági moduluszok polárdiagramja más befogási irányoknál A táblázatból egyértelműen beigazolódik az, amire a mérés megkezdésekor számítani lehetett és ami már a grafikonokból is látszódott, hogy a különböző befogási szögek közül a 45 o -os szög esetén lesz a legnagyobb a rugalmassági modulusz értéke. Ez azzal magyarázható, hogy ebben az esetben mindkét irányú (lánc és vetülék) roving ugyanolyan szögben áll a befogó készülékhez viszonyítva, míg a többi esetben valamelyik irányú roving jelentősen kisebb szöget zár be a húzást végző befogóval. Amikor pedig kisebb szöget zár be, akkor a roving kisebb elmozdulás hatására is jelentősen megfeszül, ezáltal csökkentve a mintadarabra jellemző nyíró rugalmassági moduluszt és növelve a szórást (33. ábra). 33. ábra Nyírási modulusz és szórása különböző befogási szögek esetén

51 A vizsgálat során készült fényképek ezt a jelenséget kiválóan szemléltetik (34. ábra). Látható, hogy az a, esetben gyűrődésmentesen ment végbe a vizsgálat, mivel a terhelést felvevő roving merőlegesen állt a befogópofára és annak mindkét oldalán ugyan akkora terhelést vett fel a minta. Azonban pont ezért itt következett be legkorábban a roving megfeszülése, melynek hatására a nyíró rugalmassági modulusz értéke kicsi maradt. A további kísérletek mindegyikében megfigyelhető volt bizonyos mértékű gyűrődés, azonban csak a minta egyik oldalán, ami annak volt köszönhető, hogy azon az oldalon ahol a gyűrődés bekövetkezett lényegesen nagyobb szöget zárt be a roving a befogóval, mint a másik oldal, így a kisebb szögben álló roving a vizsgálat korábbi szakaszában elérte a megfeszült állapotot és ezáltal ez az oldal vette fel a terhelést. A 45 o -os vizsgálat folyamán amint, az a 34. ábra d, képen is látható a minta mindkét oldalán gyűrődés keletkezett a vizsgálat során. Ez a mintadarabban álló rovingok szimmetrikus befogását igazolja. Ebben az esetben a két oldalon a rovingok ugyan olyan mértékben estek terhelés alá, így ekkor volt képes az üvegszövet a legnagyobb deformációra, valamint itt tudta a nyírási igénybevételt a legnagyobb mértékben elviselni maradandó alakváltozás nélkül. a, b,

52 c, d, 34. ábra Nyírás vizsgálat folyamán készült képek más befogási szögeknél a, 0 o -os befogási irány, b, 15 o -os befogási irány, c, 30 o -os befogási irány, d, 45 o -os befogási irány Az anyag viselkedését jelentősen nem befolyásolta az, hogy az adott szögnek megfelelően a vetülék-, vagy a láncirányú roving volt az, ami nagyobb mértékben vette fel a terhelést, így a szögpárok (befogási irányt tekintve: 0 o -90 o, 15 o -75 o, 30 o -60 o ) majdnem egyező eredményeket mutattak. A különböző befogási távok esetében a befogási szög változatlanul a 0 o -os irány volt. Ezen esetben azt vizsgáltam, hogy miként viselkedik az anyag akkor, ha a befogási távolságot csökkentem. A vizsgálatot a már bemutatott 2x50 mm-es befogási távolság mellett 2x25 mm-es és 2x10 mm-es mérettel végeztem el

53 35. ábra Nyírási vizsgálat más befogási távok esetén azonos befogási szög mellett a, 2x10 mm-es befogási táv, b, 2x25 mm-es befogási táv, c, 2x50 mm-es befogási táv Amint az a berendezés által rögzített grafikonokon (35. ábra) látható a legkisebb (2x10mm) befogási távon a vizsgálatot csak 10 mm-es elmozdulásig végeztem. Ennek az oka a befogó szerkezet korlátai voltak, mivel ezen ponton túl már a befogók összeértek volna. A nyírási rugalmassági modulusz meghatározása a már ismertetett módon végeztem ezen vizsgálatok esetén is, azaz a τ-θ grafikon (36. ábra) megrajzolása után kiszámítottam a G értékét

54 36. ábra ábra Nyírófeszültség a nyírási szög függvényében más befogási távok esetén azonos befogási szög mellett a, 28 mm-es befogási táv, b, 58 mm-es befogási táv, c, 108 mm-es befogási táv A grafikonokon megfigyelhető, hogy habár a 28 mm-es vizsgálat esetén a maximális elmozdulást 20 mm-ről 10 mm-re csökkentettem a nyírás szög a vártnak megfelelően alakult. Az is megfigyelhető, hogy a befogási távnak nagyon jelentős befolyása van a nyírási szög alakulására. Ez természetesen a kettő érték közötti geometriai kapcsolat miatt van. 108 mm-es befogás esetén a maximális szög 22 o körül ingadozott, viszont amikor a befogási távot az 50%-ra csökkentettem kiszámított maximális szög minimálisan meghaladta a 41 o -ot azaz majdnem a duplájára emelkedett

55 Befogási szög 0 Befogási táv 2x10 mm 2x25 mm 2x50 mm G [Mpa] 1,247 1,305 1, táblázat Nyíró rugalmassági modulusz különböző befogási távolságok esetén A 16. táblázatban is látható, hogy a befogási táv csökkentésével a mért rugalmassági moduluszokban csökkenés következik be. Ez azonban várható volt, mivel a befogási táv befolyással bír a nyírási szögre, mivel kisebb húzási irányú elmozdulásra a nyírási szög nagyobb léptékben módosul amennyiben csökkentjük a befogási távolságot Rovingkihúzás Ennél a vizsgálatnál a szövetben lévő rovingok egymáson történő elcsúszásakor keletkező súrlódásból származó erőt vizsgáltam. A mérés folyamán rögzített diagramon jól látszik, hogy a mérés megkezdésekor egy nagyobb ugrás volt, mely a roving megmozdításához kellett. Ez egy úgy nevezett terhelési csúcs. Ez a kezdeti ugrás azzal magyarázható, hogy a szál megmozdulásáig a szövet szerkezete módosul. A húzott roving, mint mindegyik más roving bizonyos hullámossággal helyezkedik el a szövetben. A mérés kezdetekor ez a roving megfeszül és elkezd kiegyenesedni. Ez a folyamat egészen addig folytatódik, amíg meg nem feszül annyira, hogy akkora húzófeszültség keletkezik, melyet már nem tud kiegyenlíteni a súrlódásból származó erő. Ekkor a roving megmozdul és megindul a kihúzódási folyamat (37. ábra)

56 37. ábra Rovingkihúzás kezdeti folyamata [41] Amint az várható volt a további kihúzáshoz egyre kisebb erőre volt szükség (38. ábra). Könnyen belátható, hogy amennyiben kevesebb roving csúszik egymáson kisebb erő szükséges a kihúzandó roving megmozdításához. 38. ábra Rovingkihúzási vizsgálat húzó erő-elmozdulás diagramja A vizsgálat során minden esetben azonos méretű mintadarabot vizsgáltam. Ennek ellenére amint az jól látszik a 38. ábraán ingadozás volt a szálkihúzáshoz szükséges erő nagyságában. Ez adódhat egyrészt az üvegszövetet alkotó rovingok felületkezelésének különbségéből (nem ugyanolyan rétegben került fel, hiányos) valamint adódhat a mintában lévő rovingok egymáshoz feszülésének különbségéből, azaz lehet szövési eredetű

57 Mintadarab F max [N] 2,325 2,301 2,153 2,033 1,966 1,987 1,979 1,776 Kihúzási hossz [mm] ,3 165,8 158,9 154,3 167,7 158,9 172,3 17. táblázat Szálkihúzáshoz tartozó maximális húzóerő (terhelési csúcs) és kihúzási hossz Egy a vizsgálatot jól reprezentáló mintát kiválasztva, tovább vizsgáltam a rovingkihúzás folyamatát. A felvett görbén az inflexiós pontokat meghatároztam, majd ezekre programmal a pontokat összekötő polinomikus görbét illesztettem (39. ábra), majd kivontam a már megrajzolt görbéből. Így megkaptam egy periódikusan változó és csökkenő amplitudójú görbét (40. ábra). Ezen a görbén már tisztábban látszik, hogy a vizsgálat előre haladtával egyre csökken a roving további kihúzásához szükséges erő. 39. ábra Rovingkihúzás minta illesztett görbével

58 40. ábra Húzóerő grafikonból kivont illesztett görbe képe Ez a görbe már alkalmas volt arra, hogy egy Fourier-sort felírva egy amplitúdóhullámhosz grafikont állítsak elő (41. ábra), mely további információkat hordoz a vizsgálatról. 41. ábra Fourier spektrum Amennyiben a szövet keresztmetszetét és a rovingok elhelyezkedését megnézzük (42. ábra) és összevetjük a Fourier spektrummal megállapítható, hogy a vizsgálat során minden páratlan számú keresztirányú rovingnál nagyobb erőre volt szükség mint a páros számú rovingoknál. Ennek a jelenségnek több oka is lehet, mint például a húzott roving végének kunkorodása ami akadáshoz vezet az adott oldali keresztirányú rovingoknál, vagy a vizsgálat során a mintadarab síkja nem esett teljesen

59 egybe a rovingot rögzítő készülék síkjával, így generálva a különbséget, hiszen amennyibe előre vagy hátra irányban elcsúszás következett be a síkokban akkor az elcsúszás irányának megfelelő rovingokhoz nagyobb mértékben feszült a vizsgálat folyamán kihúzott roving. 42. ábra Üvegszövet keresztmetszeti képe A szövetben a lánc- és vetülékirányú rovingok egymást keresztezésénél egymáson egy ív mentén csúsznak el. Ezen ív, valamint a meghatározott terhelési csúcshoz tartozó húzóerő ismeretében a kötélsúrlódás elve alapján meghatározható a szövetben lévő rovingok közötti súrlódási tényező értéke. Al-Gaadi Bidour, Szőtt kompozit erősítőszerkezetek 3D-s deformációjának elemzése. című munkájában az általam alkalmazott üvegszövettel közel megegyező szövetet alkalmazott vizsgálatai során. SEM készítetett felvételeket, amelyekről képfeldolgozó program segítségével határozta meg a fonalak érintkezési ívének középponti szögét. A több mérési pontból álló mérés végén megállapította, hogy átlagosan 0,17 [rad] a középponti szög értéke. Ezen adatot és a mért húzóerőket felhasználva az Euler egyenlet alapján felírt ln( Fi / Fk) összefüggéssel (2) az alkalmazott 2 ( k i) üvegszövetre a súrlódási együttható meghatározható. ln( Fi / Fk) (2) 2 ( k i),ahol Ki és Kk, Ki>Kk, a fonalkihúzó vizsgálat során regisztrált erő - elmozdulás diagram i-edik, illetve k-adik csúcsához tartozó fonalkihúzó erő. Ekkor a terhelési csúcshoz tartozó erőt (grafikon első szakasza) figyelmen kívül hagyjuk. Az így meghatározott súrlódási együttható átlagos értéke 0,

60 A súrlódási tényező megállapítására elfogadott módszer még, a külön e tulajdonság megállapítására szolgáló mérés elvégzése egy speciális készülékkel. Vizsgálataim során e mérés elvégzésére is sort kerítettem. A mérőkészülék egy tartó konzolból és arra fogatott két fix csapból áll. Miután a tartó konzolt fixen rögzítettem a Zwick Z005 készülékhez a felső befogó készülékbe fogattam egy rovingot, melyet előtte átfűztem a csapok között úgy, hogy az elülső, magasabban lévő csapon felül vetettem át a rovingot, a másik csapon meg alul. (43. ábra). 43. ábra Kétcsapos készülék súrlódás mérésére A vizsgálatot 3 változatban végeztem el. Mindhárom vizsgálati mód esetén 10mm/min volt a húzási sebesség. A vizsgálat során az álló csapok közé befűzött roving egyik végét a befogó készülékbe rögzítettem, a másik szabad végére pedig egy előre meghatározott súlyt fogattam. A mérés során mért adatokból (44. ábra) a kötélsúrlódás klasszikus Euler- vagy Eytelweis féle egyenletével számítható a tapadási- és súrlódási együttható ln( F / G) 2 (3). ln( F / G) 2 (3)

61 a, b, c, 44. ábra Súrlódás mérése szövettel (a), párhuzamosan- (b) és keresztirányban (c) elhelyezett rovingokkal bevont csapokon A vizsgálatokat a szöveten való húzással kezdtem. Ebben az esetben a csapokra méretre vágott üvegszövetet rögzítettem (45. ábra)

62 45. ábra Üvegszövettel borított csapok A második módja a vizsgálatnak amikor a csapokra a befűzött rovinggal párhuzamosan kerültek felrögzítésre a rovingok (46. ábra). 46. ábra A csapra, a készüléken átfűzött rovinggal párhuzamosan felfogatott rovingok Ekkor a felfogatott súlyt csökkentettem, mivel a szövetnél alkalmazott súly esetén a mérőcella felső mérési határán kellett volna dolgozni. A harmadik mód a kereszt irányú rovingokon való vizsgálat (47. ábra)

63 47. ábra A csapra keresztirányban felfogatott rovingok A csapokra a rovingok felfogatása után, a párhuzamos irányú mérésnél is alkalmazott súlyt rögzítettem az átfűzött rovingra. A kapott adatokból látható (18. táblázat), hogy amint az várható volt a párhuzamosan elhelyezett rovingokon való mozgatáskor volt a legnagyobb a súrlódási tényező és a kereszt irányú esetén a legalacsonyabb. Ez azzal magyarázható, hogy az érintkezési felület a párhuzamos vizsgálat esetén a legnagyobb. A kereszt irányú vizsgálatnál ugyan nagyobb az érintkezési felület mint szövet esetén, viszont ekkor felváltva érintkezik a kereszt illetve párhuzamos irányú rovingokkal (48. ábra), aminek következtében nagyobb súrlódási együtthatót mértem. Csap borítási módja G [N] F tap [N] F súrl [N] μ súrl [-] μ tap [-] Átlag Átlag Átlag Átlag Szövet 1,518 6,614 6,087 0,221 0,234 Kereszt 1,518 5,384 4,840 0,185 0,202 Párhuzamos 1,518 20,92 19,02 0,402 0, táblázat Csapos súrlódásméréssel kapott súrlódási együtthatók

64 48. ábra A különböző csapborítások metszeti képe Az elvégzett mérések lehetőséget adtak, hogy összevessem a két módszerrel mért súrlódási együtthatókat. A roving kihúzás vizsgálat esetén látszik, hogy a súrlódás a keresztirányú rovingokkal való érintkezésnél alakul ki, így a csapos mérési módnak is e változatát vettem figyelembe az összehasonlításnál. Így a rovingkihúzás vizsgálat esetén meghatározott 0,253 értékű súrlódási együtthatót vetettem össze a csapos mérési módszernél kiszámított 0,185-ös értékkel. Látható, hogy az érintkező rovingok helyzete hiába egyezik meg a két mérési módnál a súrlódási együtthatók mégis eltérnek. Ha tovább vizsgáljuk a két mérési mód közötti eltérést megállapítható, hogy ugyan a roving irányok egyeznek, azonban az érintkező felületek nagysága és az érintkezési szögek nem. A kihúzásos vizsgálat esetén ezen értékek nagyobbak, mint a csapos szerkezetnél így az eltérés indoka nagy mértékben ez a jelenség Biaxiális húzóvizsgálat Ezzel a vizsgálattal egy komplexebb vizsgálat alá vetettem az üvegszövetet. Ezzel a mérési eljárással a sávszakítás folyamán tapasztalt mintadarab keskenyedést el lehet kerülni,így összevethető volt, hogy mennyiben változnak a vizsgált erősítőszövet mechanikai tulajdonságai a sávszakításnál mértekhez képest abban az esetben, ha a biaxiális készüléket használtam. A két mérési módszer összehasonlításához a sávszakítás vizsgálat során mért adatokkal modelleztem a biaxilis húzóvizsgálatot. A modellezéshez első lépésként a megfelelő modellt kellett felállítani. Mivel a biaxiális vizsgálat során mind a lánc- mind a vetülékirányú rovingokat két irányba húzom, így adja magát, hogy soros, valamint párhuzamos kapcsolásokkal előállítható a modell (49. ábra)

65 49. ábra Biaxiális vizsgálat modellje sávszakítás vizsgálatokkal Mivel a biaxiális vizsgálat során alkalmazott mintadarab irányonkénti paraméterei megegyeznek a sávszakítás során alkalmazott mintadarabokéval az ott kapott eredmények átszámítás nélkül beágyazhatóak a modellbe. A számítás után kapott értékeket összevetve a biaxiális vizsgálattal már megállapítható, hogy megfelel-e a modell az elvárásoknak. A biaxiális vizsgálat folyamán rögzített adatokat a 50. ábra mutatja be. 50. ábra Biaxiális vizsgálat erő - elmozdulás diagramja Azért, hogy a modell segítségével kiszámított mechanikai tulajdonságok össze tudjam vetni a biaxiális befogóval végzett anyagvizsgálttal szükséges volt a biaxiális vizsgálat esetén is a Ϭ-ε diagram előállítása. Azonban a biaxiális mérésnélaz első

66 mintadarabnál a szakadási pontig végeztem a mérést, azonban a befogó készüléknél az anyag szakadása nem a mintadarab középső részén következett be, hanem a befogónál, így azon a későbbiekben javítani kell. Ezen ok miatt a továbbiakban nem a mintadarab szakadásáig végeztem a mérési folyamat, mivel jelentős eltérés a két mérési mód összehasonlítása esetén a rugalmassági moduluszban volt várható, valamint nem adott volna valós eredményeket a biaxiális készülékkel mért szakítószilárdság. 51. ábra Biaxiális vizsgálat húzófeszültség relatív nyúlás diagramja Amennyiben a diagramról leolvasott szakítószilárdságot összevetjük a modell szerint kiszámolt szakítószilárdsággal (19. táblázat) azt kapjuk, hogy az vizsgált üvegszövet ebben a tekintetben hasonlóan viselkedett mind a két esetben. Ez azzal magyarázható, hogy a szövetnek nem a középső részénél történt a tönkremenetel, hanem az egyik befogónál alakult ki legnagyobb feszültség, így a mérés ezen része megegyezett azzal, mintha uniaxiális sávszakítást végeztem volna. Ami eltérés mégis látható a két módszer között az adódhat abból, hogy a biaxiális vizsgálat esetén közvetlenül a befogónál szakadt az anyag, amiből arra lehet következtetni, hogy ott a húzóterhelés mellet a befogó elnyírta az anyagot. Modell Biaxiális vizsgálat Eltérés [%] sz [MPa] 184,7 120, táblázat A modellel kiszámolt és biaxiális vizsgálattal mért szakítószilárdságok

67 A jelentős változást a rugalmassági modulusz esetén volt várható, mivel a sávszakítás alatt tapasztalható minta deformációját képes kiküszöbölni a biaxiális vizsgálat. Ezen a téren folytattam a vizsgálódást és amint az várható volt ténylegesen jelentős különbségek adódtak. Modell Biaxiális vizsgálat Eltérés [%] E [MPa] ,9 20. táblázat A modellel kiszámolt és biaxiális vizsgálattal mért adatok alapján számított rugalmassági moduluszok Amint az a 20. táblázatból is látszik a rugalmassági modulusz majd ötszöröse volt a sávszakítás során, mint a biaxiális vizsgálat esetén. Ezen értékek támasztják alá a biaxiális vizsgálat azon előnyét húzóvizsgálat esetén, hogy a mintadarab deformációja nagy mértékben csökkenthető, ezáltal pontosabban mérhető a szövetre jellemző rugalmassági modulusz, valamint a berendezés újragondolása, és a konstrukció kijavítása esetén a szakítószilárdság is pontosabb értékeket venne fel

68 4. Összegzés Diplomamunkám célja egy kiválasztott erősítőanyag vizsgálata volt. Az irodalomkutatás folyamán körvonalazódott, hogy a vizsgálataim számára a legideálisabb minta az üvegszövet, mivel az ipari felhasználásban ez a legelterjedtebb erősítőanyag. Ezért is fontos egy ilyen sok téren alkalmazott erősítő anyag mechanikai tulajdonságainak minél pontosabb ismerete. Diplomamunkám készítésének folyamán, minden az szövet és az azt alkotó rovingok mechanikai tulajdonságait érintő vizsgálatot igyekeztem a lehető legpontosabban elvégezni. Így elsőként a szövetet felépítő rovingok szakítási vizsgálatát végeztem. A szöveten elsőként a sávszakítás vizsgálatot végeztem el, amiből meghatároztam az anyagra jellemző szakítószilárdságot és rugalmassági moduluszt. Ezek igen alapvető tulajdonságok, hiszen ha nem is tiszta húzás formájában, de a felhasznált polimer kompozitok a legtöbb esetben, ezen terhelési formával találkoznak. Mivel a felhasználáskor az erősítő szövet nem minden esetben csak lánc- illetve vetülék irányban kell, hogy felvegye a terhelést, valamint a szövetben eltérhetnek egymástól a lánc- és vetülék irányú rovingok tulajdonságai szükséges volt a különböző irányban kivágott minták vizsgálata is. Két kitűntetett irányban (lánc- és vetülékirány) a rovingszakítás során kapott eredményekkel modelleztem a sávszakítás vizsgálatot. Azonban megállapítható volt, hogy ez a közelítés nem alkalmas a szövet modellezésére, mert számottevő volt a különbség. A másik igen fontos mechanikai tulajdonsága az anyagnak, hogy nyírás esetén miként viselkedik. Ezt a vizsgálatot Molnár Kolos, konzulensem által tervezett nyíróbefogón végeztem. A vizsgálat folyamán akárcsak a húzóvizsgálatnál több kivágási irányban vizsgálódtam. Ezen kívül, hogy teljesebb képet kapjak a vizsgált üvegszövetről a nyíróvizsgálatot különböző befogási távoknál is vizsgáltam. A mérések kiértékelése után fontos információkat kaptam az anyag nyírási terheléssel szembeni viselkedéséről. A szöveten elvégzett rovingkihúzás vizsgálattal lehetőség volt a szövetet alkotó rovingok közötti súrlódási együttható meghatározására, amit összevetettem egy más vizsgálati módszerrel mért súrlódási értékekkel

69 Vizsgálataimat egy biaxiális húzóvizsgálattal zártam. Ez a vizsgálat teljesebb képet adott a szövet egy időben történő több irányú húzással szembeni viselkedéséről. A vizsgálatot összehasonlítottam egy, a sávszakítási vizsgálatokkal megalkotott modellel ami igazolta a biaxiális vizsgálat fontosságát, hiszen a rugalmassági modulusz esetén jelentős eltérés volt tapasztalható. A diplomamunkám végére a kiválasztott üvegszövet több mérnöki konstansát meghatároztam. Ezen vizsgálatok elvégzésével már a tervezési fázisban igen pontos becsléseket lehet adni a majdani kész kompozit termékre amennyiben a befoglaló mátrix anyag főbb mechanikai paraméterei, valamint az erősítőanyag beágyazási módja ismertek

70 5. Summary The aim of my M.Sc. thesis was the investigation of a chosen reinforcing material. The literature review showed that the most suitable sample is the glass fibre since it is the most common reinforcing material in the industry. As a first step the tensile measurements of the rovings were carried out. After the mechanical properties of the rovings (which build up the fabric) had been known, tensile investigations of fabric stripeswere performed and the tensile strength and the elastic modulus were determined. These are basic properties of the material because the polymer composites are loaded usually like that, however, not in the form of pure pulling. The investigation of samples cut in different directions was also necessary because the fabric is not loaded only in the directions of the warp and weft, respectively and the properties of the fibres in these directions can be different. The tensile investigations of fabric strips were modelled based on the results of the roving tensile measurements in the warp and weft directions. However, it was stated, that this approximation is not suitable for modelling the textile structure due to the significant differences. Another important property of the material is that how does it behave at shearing. This investigation was carried out on the shearing clam device designed by my supervisor, Mr. Kolos Molnár. More cutting directions and different grip distance were used in order to gain more detailed information. The evaluation of the measurements provided important information on the shearing properties of the material. The friction coefficients between the roving were determined by roving pull-out investigations and the results were compared to other ones gained by a different method. Finally, biaxial tensile investigations were realized which provided more information about the fabric s behaviour in the case of multi-directional tensile tests. The results were compared to the tensile model of strips which proved the importance of the biaxial pulling investigation as the elastic modulus was remarkably different. In my work more technical properties of the chosen glass fibre were determined. As a benefit of these investigations, accurate approximations on the properties of the composite can be provided even in its design phase so far as the mechanical properties of the matrix material and the setting of the reinforcing material are known

71 6. Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani a konzulenseimnek, Prof. Dr. Vas László Mihály tudományos tanácsadónak, Dr. Halász Marianna egyetemi docensnek és végül, de nem utolsó sorban Molnár Kolos doktorandusznak a félév során nyújtott segítségükért és a munkám folyamatos támogatásáért. Továbbá szeretném megköszönni a BME Polimertechnika tanszékének, hogy rendelkezésemre bocsátotta a vizsgálatokhoz szükséges anyagokat és berendezéseket, valamint a tanszék dolgozóinak, akik segítségükkel és tanácsaikkal hozzájárultak a laborban végzett munkám sikerességéhez. Végül megköszönném a családomnak, akik segítségükkel és türelmükkel hozzájárultak diplomám elkészüléséhez

72 7. Irodalomjegyzék [1] Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai. Műegyetemi kiadó, Budapest (2003) [2] ( ) [3] Dr. Bánhegyi Gy.: Kompoziok szerkezeti alkalmazásai és tartóssága. Műanyagipari szemle, 3, 1-2 (2004) [4] Konczos G.: Korszerű anyagok és technológiák, BME, Mérnök-fizikus, (2006) [5] M.C. Gupta, A.P. Gupta: Polymer Composite. New Age International (P) Ltd., Publishers, New Delhi (2005) [6] Stoyko F., Debes B.: Handbook of Engineering Biopolymers. Hanser Gardner Publication, Inc., USA (2007) [7] Máthé Cs.: Erősítőszálak választéka és tulajdonságaik. Műanyagipari szemle, 3, 1-3 (2008) [8] ( ) [9] ( ) [10] Paul J., Walsh: Composites. ASM Handbook, Vol.21 (2001) [11] Dr. Meiszel L.: A kompozitok erősítő anyagai tipikusan száljellegűek. Műanyag és gumi, 41, 1-5 (2004) [12] Stuart M. L.: Handbook of Composite Reinforcements. John Wiley & Sons (1992) [13] Frederick T. W., Paul A. B.: Fiberglass and Glass Technology. Springer Science + Business Media, New York (2010) [14] D.B. Miracle and S.L. Donaldson: ASM Handbook Volume 21: Composites. Asm International (2001) [15] D. Hull, T.W. Clyne: An Introduction to Composite Materials, Second Edition, Press Syndicate of the University of Cambridge (1996) [16] ELVSTRØM SAILS: THE RED BOOK Szálak és szerkezetek. (2008) [17] ( ) [18] A. Miravete: Composite Design Volume IV. University of Zaragoza, Spain (1993)

73 [19] Dr. Halász M.: Polimerek erősítőanyagai és kompozit technológiái előadásjegyzet. BME, (2013) [20] ( ) [21] ( ) [22] Prof. Dr. Czigány T.: Polimer kompozitok II. előadásjegyzet. BME, (2007) [23] Mohammed U., Lekakou C., Dong L., Bader M. G.: Shear deformation and micromechanics of woven fabrics. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 31, (2000). [24] Dr Vas L.M.: Műszaki textíliák és tervezésük előadásjegyzet. BME, (2009) [25] Lázár K.: Kötött műszaki textíliák. Magyar Textiltechnika LXII. ÉVF. (2009) [26] Al-Gaadi B.: Szőtt kompozit erősítőszerkezetek 3D-s deformációjának elemzése. BMe Kutatói Pályázat (2012) [27] T. Proulx: Experomental and Applied Mechanics: Proceedings of the 2011 Annual Conference on Experimental and Applied Mechanichs. Springer, New York, 2011 [28] P. Potluri, D. A P. Ciurezu, R. J Young: Biaxial shear testing of textile preforms for formability analysis. 16TH International Conference On Composite Materials, Kyoto (2007) [29] Potluri P., Perez Ciurezu D. A., Ramgulam R. B.: Measurement of mesoscale shear deformations for modelling textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37, (2006). [30] Lomov S. V., Boisse P., Deluycker E., Morestin F., Vanclooster K., Vandepitte D., Verpoest I., Willems A.: Full-field strain measurements in textile deformability studies. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, (2008). [31] Willems A., Lomov S. V., Verpoest I., Vandepitte D.: Drape-ability characterization of textile composite reinforcements using digital image correlation. Optics and Lasers in Engineering, 47, (2009). [32] ( ) [33] ( ) [34] Prof. Dr. S. Thomas, Prof. Dr. J. Kuruvilla, Dr. S. K. Malhotra, Prof. K. Goda, Dr. M. S. Sreekala: Polymer Composite Volume 1: Macro- and

74 Microcomposites. Wiley-VCH Verlag & Co, Weinheim, Germany, (2012) [35] M. Greuel, F. Weiße, U. Zastarow: Der Griff eines Gewebes - subjektive Beurteilung und objektive Messung. I.,II. rész, Bekleidung und Wäsche 4/ , 5/ (1991) [36] ( ) [37] T. John Lahey: Modelling Hysteresis in the Bending of Fabrics. Waterloo, Ontario, Canada (2002) [38] A. Moiz, M. Iqbal, A. Ahmed & K. Farooq: Kawabata Evaluation System for Fabric. Published On: (2010) [39] Szabó L.: Képalkotásra alapozott ruhaipari méréstechnikák. PhD értekezés, BME (2008) [40] Kovács L.: Kompozitok a repülőgépgyártásban. Műanyagipari szemle, 4, (2004) [41] K. M. Kirkwood, J.E. Kirkwood, Y. S. Lee, R. G. Egres, E.D. Wetzel, N. J. Wagner: Yarn Pull-Out as a Mechanism for Dissipation of Ballistic Impact Energy in Kevla KM-2 Fabric, Part I: Quasi-Static Characterization of Yarn Pull-Out. Army Research Laboratory, (2004) [42] Al-Gaadi B.: Szőtt kompozit erősítőszerkezetek 3D-s deformációjának elemzése. PhD értekezés. BME (2012)

75 Mellékletek 1. Melléklet: A kiválasztott üvegszövet adatlapja. 2. Melléklet: Sávszakítás mérési eredmények táblázatos formában, különböző szögekben befogott mintadarabok esetén. 3. Melléklet: Nyírás vizsgálat mérési eredmények táblázatos formában a különböző mintadarab befogási távok és szögek szerint. 4. Melléklet: Súrlódásmérés mérési eredmények a mérő készülék csapjainak különböző bevonása esetén, táblázatos formában. 5. Melléklet: Rovinkihúzási vizsgálat során mért erők az elmozdulás függvényében

76 1. Melléklet