Budapest M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertecnika Tanszék EGYIRÁNYBAN ER SÍTETT KOMPOZIT RUDAK HAJLÍTÓ KARAKTERISZTIKÁJÁNAK ÉS TÖNKREMENETELI OLYAMATÁNAK ELEMZÉSE Tézisek Rácz Zsolt Témavezet : Dr. Vas László Miály Budapest 26
. tézis A DIN 65 7:992 szabvány továbbfejlesztéseként kidolgoztam egy olyan gyártástecnológiát és megterveztem egy olyan eszközrendszert (impregnáló berendezés sajtoló szerszám) amely alkalmas D-s roving er sít szerkezetb l reprodukálató min ség egyirányban er sített (UD) négyszög keresztmetszet (2 mm vastag mm széles mm osszú) a fenti szabvány követelményeit kielégít jól reprodukálató tulajdonságokkal rendelkez (száltartalom: 62 ± 2 tf% üregtartalom: max. 2% méretingadozás: ± 5 mm; b ± mm) kompozit rudak laborszint el állítására. A kidolgozott gyártástecnológia magas és jól reprodukálató a próbatest el állításra vonatkozó szabvány által el írt követelményeket kielégít min ségi szintet biztosít a legyártott UD kompozit rudak szerkezeti-geometriai és mecanikai tulajdonságai szempontjából. 2. tézis Kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD rudak ( 2 4 6 8 és mm b mm) árom- és négypontos ajlító vizsgálatánál (PBT és 4PBT) az els törésez tartozó er értékb l a klasszikus rúdelmélet (CBT) alapján számolt normál- ( x ) és nyírófeszültségek ( xz ) geometriai beállításoktól illetve a minta vastagsági méretét l függ változása az alábbi összefüggésekkel írató le a teljes értelmezési tartományt tekintve (PBT: x L/ < 4PBT: z L 2 /L ): PBT (z ): σ PBT x 2 b τ 4PBT: σ τ 4 b PBT 2 b x ( 4PBT 4 b 4PBT aol PBT és 4PBT-re: f b a + b x σ asy x x x τ teo x σ τ τ ( ) PBT z PBT teo N mm aol az f(x függvény konstansai a vizsgált UD anyag esetén: a z z z z (T) (T2) (T) (T4) (T5) 4 b 4874 [mm/n] 6 5 b 9465 + 644 [mm/n]. (T6) 2
Ezekkel a következ az L/ és L 2 /L aránytól független aszimptotikus anyagjellemz értékeket kaptam: asy 97 996 MPa és teo 587 MPa ( 2 mm b mm esetén).. tézis Kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD kompozit rudak (b mm 2 4 6 8 és mm) árompontos ajlító vizsgálata (PBT) esetén (geometriai paraméterek: R 5 mm R 2 2 mm) az L/ aránytól függ a minta vastagsági méretét l (b/ arány) szinte független a leajlás-er karakterisztika alapján értelmezett látszólagos ajlító modulus (E app ) a mérések (mérési beállítások: L/ 5 5 2 és 25) szerint szignifikáns változása az alábbi összefüggésekkel írató le a teljes értelmezési tartományban ( < x L/ < ): E PBT 4b f () x x () x E f x x (T7) aol: g a + a x ( x) () x 2 f b + b x + b2 x aol a g(x) függvény konstansai: a 788 a N mm (T8) b 47 b mm N 8 mm N 2 56 b mm N. (T9) Ezekkel a következ az L/ és b/ aránytól független aszimptotikus anyagjellemz értéket kaptam: E f 64 MPa. 4. tézis Kimutattam ogy árompontos ajlító vizsgálat esetén a vizsgált karbonszál/epoxi UD minták (b mm 4 mm) jellemz törési módját illetve a teljes károsodási folyamatának lefutását az alkalmazott alátámasztási távolság (5 L/ 25) jelent sen befolyásolja. a. Az optikai felvételek és a regisztrált leajlás-er karakterisztikák alapján bebizonyítottam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD anyag árompontos terelésénél a terel fej alatt (R 5 mm) els dlegesen bekövetkezett tönkremeneteli formák jellegüket tekintve árom jól elkülönítet típusra osztatók az alátámasztási távolság (L/ arány) függvényében: 5 L/ többréteg delamináció el ször nyíró- majd nyomó jelleg tönkremenetel; L/ 5 vegyes típusú törés el bb nyomott oldali repedés majd rétegelválás; 2 L/ 25 nyomott oldali közel függ leges repedés a szignifikáns törési mód a delamináció már csak lokálisan károsodás.
b. A árompontos ajlító vizsgálattal (mérési beállítások: L/ 5 2 és 25) páruzamosan elvégzett akusztikus emissziós (AE) mérések eredményei alapján megállapítottam ogy az irreverzibilis mikroszint károsodás már az els makroszint törést okozó er 5%-át elérve megindult és az eseményszám közelít leg állandó sebességgel a regisztrált amplitúdók közelít leg azonos relatív eloszlása mellett n tt a makroszint törés bekövetkezéséig. Kimutattam ogy a tereletlen állapottól az els makroszint törésig bekövetkezett események száma azaz a kumulált eseményszám ( E) a terelés különböz tartományaiban (-5) max (5-8) max (8-) max az alábbi összefüggéssel írató le az alátámasztási távolság (L) függvényében: 2658 Σ E ai L (T) aol: ( 5) max : ( 5 8) max ( 8 ) max : : a 9 [mm -2658 ] (T) a 9764 [mm -2658 ] (T2) 2 a 896 [mm -2658 ] (T) 5. tézis Kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD rudak ( 4 mm) árompontos ajlító terelése esetén a leajlás-er kapcsolat mint a károsodást méret en jellemz folyamat becslésére kidolgozott a úzott oldali széls rétegek szakadására épül E-köteg típusú szálköteg-cella modell a teljes károsodási folyamat fenomenológikus a modellparaméterek (c E c c ) elyes megválasztása esetén leírására alkalmas és 95%-os valószín ségi szint konfidencia intervallumban jó közelítéssel el rejelzi az átlagos ajlító er alakulását a teljes tönkremenetelig. 6. tézis A legyártott karbonszál/epoxi UD minták mecanikai vizsgálatának szakító és árompontos ajlító vizsgálat szilárdságra vonatkozó eredményeit a Weibull analízis alapján elemeztem. a. A legyártott UD anyag több szerkezeti szinten egyedi karbonszál impregnált karbonszál roving és karbonszál/epoxi UD kompozit elvégzett szakító vizsgálati eredményeinek statisztikus elemzése alapján megállapítottam ogy a Weibull elmélet úzó igénybevétel okozta tönkremenetel esetén jól alkalmazató a rideg természet karbonszál karbonszál/epoxi anyagok úzószilárdságának leírására. A Weibull analízis alapján kimutattam ogy az er sít szál átlagos elméleti szilárdságának ( S ) kiasználtsága valamint a Weibull skálaparaméter ( ) csökken míg az alakparaméter (m) n a magasabb szerkezeti szintek felé aladva. 4
b. A vizsgált karbonszál/epoxi UD rudak (b mm 4 mm) árompontos ajlító vizsgálatának (mérési beállítások: L/ 5 5 2 és 25) eredményei alapján megállapítottam ogy a Weibull skálaparaméter ( ) n tt az alátámasztási távolság növekedésével míg a Weibull alakparaméter (m) megközelít leg konstans érték (m 86) maradt. A Weibull analízis alapján kimutattam ogy az alátámasztási távolság (L) függvényében a Weibull paraméterekkel becsült elméleti ajlító szilárdság ( fw ) átlagosan 25%-kal kisebb mint a törés pillanatában számolt ajlító szilárdsága ( x ) azaz a Weibull elmélet a vizsgált UD rudak esetén korrekció nélkül nem alkalmazató a méret-atás okozta ajlítószilárdság változás becslésére. 7. tézis Kísérleti vizsgálatokkal kimutattam ogy a legyártott karbonszál/epoxi UD minták esetén ( 2 4 6 8 és mm b mm) a szabványos vizsgálati paraméterek L/ arány 5 5 2 és 25; b/ arány.25.67 2.5 és 5 függvényében ogyan változik a száler sített polimer kompozitok árompontos ajlító (ASTM D79) és rétegközi nyíró (ASTM D244) tulajdonságainak megatározására vonatkozó szabványok érvényessége. a. Kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD anyag esetén a 5 L/ 25 tartomány csak b/ 5 beállítás mellett alkalmas a ajlító szilárdság megatározásra. A b/ 2.5 beállítások esetén a mért ajlító szilárdság értékek csak korrekció alkalmazásával elfogadatók. b. Kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD anyag esetén a L/ 5 tartomány alkalmas b/ 5 az anyag tényleges rétegközi nyírószilárdságának megatározásra. c. A árompontos ajlító vizsgálat során regisztrált leajlás-er karakterisztikák elemzésével kimutattam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD anyag esetén a ajlító modulus úr-modulusként értelmezett 2 L/ 25 tartományban ad elfogadató eredményt. d. Kísérletileg bebizonyítottam ogy a vizsgált karbonszál/epoxi UD anyag esetén (b mm 4 mm) a tönkremenetel minden esetben 5 L/ 25 a nyomott oldalon indult meg azaz nem teljesült az ASTM D79 szabvány úzott oldali szakadásra vonatkozó el írása. e. A legyártott karbonszál/epoxi UD rudak árompontos ajlító vizsgálatának eredményei és a kidolgozott illesztési módszer alapján az ASTM D79 szabvány szerinti vizsgálatok kiegészítéseként javasolató a mérési eredmények kiterjesztése a < L/ < tartományra és az L/ aránytól független asy teo és E f aszimptotikus min sít értékek megatározása amellyel a mérések alapján nyeret információk b vítet k. 5