Visualization of Progress of Internal Damage in Carbon Fiber Composite Materials and Mechanism of Impact Strength

Význam tématu

Kompozitní materiály na bázi uhlíkových vláken (CFRP) nabízejí vynikající poměr pevnosti k hmotnosti a nacházejí uplatnění v letectví, automobilovém průmyslu či energetice. Díky složité interakci mezi vláknem a matricí však jejich deformace a porušení vykazují silnou anizotropii a dynamickou složitost. Pro racionální návrh konstrukcí a zajištění vysoké spolehlivosti je nezbytné detailně porozumět průběhu vnitřního poškození během zatěžování a vlivu teploty a rychlosti deformace na mechanické vlastnosti.

Cíle a přehled studie

Tento příspěvek si klade za cíl vizualizovat a kvantifikovat postup vnitřního poškození náhodně orientovaného CFRP během ohybu pomocí trojrozměrné rentgenové tomografie (3D X-ray CT) a současně prozkoumat závislost ohybové pevnosti na teplotě a rychlosti deformace. Výsledkem má být predikční model pevnosti založený na viskoelastickém chování termoplastické matrice a principu čas-teplotního superpozice.

Použitá metodika a instrumentace

Pro in situ pozorování během ohybových zkoušek byl navržen a implementován tříbodový ohybový přípravek do CT systému Shimadzu inspeXio SMX-100CT. Ke zpracování 3D dat sloužil software VGStudio MAX. Dynamická ohybová zkouška probíhala na hydraulickém vysokorychlostním úderovém stroji HITS-P10 vybaveném teplotní komorou a vlastním ohybovým nástavcem. Zprůběh destrukce byl monitorován vysokorychlostní kamerou.

Hlavní výsledky a diskuse

Rentgenové tomogramy při postupném zatížení prokázaly vznik a šíření vnitřních trhlin pod indenterem i v šířce vzorku, přičemž nárůst hloubky poškození koreloval se začátkem nelinearity v závislosti testovací síly na posuvu. V ohybových vzorcích při různých teplotách (−30 až 100 °C) a rychlostech deformace (0,01–10 s−1) byla zaznamenána růstová tendence pevnosti s klesající teplotou a rostoucí rychlostí. Využitím čas-teplotního superpozice principu a master křivky viskoelastického modulu matrice byla úspěšně predikována ohybová pevnost CFRP s dobrou shodou vůči experimentu.

Přínosy a praktické využití metody

Integrace in situ CT a vysokorychlostních měření poskytuje kvantitativní vhled do mechanismů poškození a umožňuje vytvářet spolehlivé predikční modely ohybové pevnosti za reálných provozních podmínek. To přispívá k optimalizaci návrhu, zkrácení vývojových cyklů a spolehlivé simulaci chování kompozitů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj lze očekávat v oblasti real-time analýzy vnitřních změn při komplexních zatěžovacích scénářích, rozšíření metod na další typy kompozitů a jejich kombinace s numerickými modely pro predikci životnosti. Pokročilé zobrazovací a výpočetní technologie umožní podrobnější studium mezifázových jevů a multifyzikálních interakcí.

Závěr

Tato studie prokázala, že kombinace 3D X-ray CT a vysokorychlostních ohybových testů významně rozšiřuje naše porozumění dynamickému poškození a viskoelastickému řízení pevnosti náhodně orientovaných CFRP. Získané poznatky podporují návrh odolných a lehkých konstrukčních dílů s předvídatelným chováním.

Reference

1. JIS K 7074, Testing Methods for Flexural Properties of Carbon Fiber Reinforced Plastics; Japanese Standards Association; 1998.
2. T. Matsuo, M. Nakada, K. Kageyama: Internal observation about nonlinear flexural behavior of discontinuous CFRTP by 3D X-ray CT system equipped with bending test machine; Shimadzu Application Note; 2018.
3. M. Nakada, Y. Miyano: Formulation of time- and temperature-dependent strength of unidirectional carbon fiber reinforced plastics; Journal of Composite Materials; 47(2012):1897–1906.
4. K. T., Materials System; 6(1987):7–19.
5. Measurement technologies for damage mechanism and impact property of thermoplastic CFRP applied for high-speed compression molding process; Shimadzu Application Note; Vol.64, No.11, 2018.
6. F. Yano et al.: Evaluation and Investigation of Strain Rate and Temperature Dependence Using 3-Point Bending Impact Test for Randomly-Oriented Discontinuous Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites; Journal of Composite Materials; 44(2018): publication scheduled.
7. T. Matsuo, M. Nakada, K. Kageyama: Prediction of fiber-directional flexural strength of carbon fiber-reinforced polypropylene based on time-temperature superposition principle; Journal of Composite Materials; 52(2018):793–805.
8. NEDO: Innovative Structural Materials R&D Project; New Energy and Industrial Technology Development Organization; 2018.