Fatigue Testing of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic (CFRTP)

Význam tématu

Ucpá vodová CFRTP (carbon fiber reinforced thermoplastic) nabízí výjimečný poměr pevnosti k hmotnosti a vynikající zpracovatelnost díky termoplastickému pojivu. Při aplikaci ve strukturálních dílech dopravních prostředků je však klíčové charakterizovat únavovou odolnost materiálu, aby se minimalizovalo riziko selhání během dlouhodobého opakovaného zatížení.

Cíle a přehled studie

Studie se zaměřila na hodnocení únavových vlastností náhodně orientovaného CFRTP vytvořeného z UD pásky na bázi termoplastické epoxidové pryskyřice. Cílem bylo:

• Vyvinout a ověřit vhodnou upínací čelist pro minimalizaci poškození při namáhání.
• Provést statické tahové zkoušky pro stanovení mezní pevnosti.
• Zrealizovat únavové testy při různých úrovních zatížení a vyhodnotit S–N charakteristiky.

Použitá instrumentace

Pro experimenty byl použit stolní systém pro dynamické a únavové zkoušky Servopulser EHF-LV20k1A vybavený:

• Silovým čidlem 20 kN
• Aktuator s odsahy ±25 mm
• Řídicí jednotkou Servo Controller 4830 a software Windows pro 4830
• Speciálním přípravkem se šroubovými čelistmi a povrchem z jemně pilovaných zubů

Použitá metodika

Vzorky byly připraveny z náhodně orientovaného materiálového plátu o tloušťce 3 mm, délce 250 mm a šířce 25 mm. Statické tahové zkoušky probíhaly při rychlosti 1 mm/min na třech exemplářích a sloužily k určení průměrné maximální pevnosti. Únavové testy poté probíhaly při pěti úrovních maximálního napětí (35–55 % statické pevnosti), poměru napětí R = 0,1, frekvenci 10 Hz a maximálním počtu cyklů 10^6, se dvěma vzorky na každé úrovni.

Hlavní výsledky a diskuse

Statické testy odhalily průměrnou mez pevnosti 191,3 MPa (SD 11,7 MPa, CV 6 %). Únavové zkoušky prokázaly stabilní sinusové průběhy zatížení a díky novým čelistem došlo k lomům ve střední oblasti vzorků, nikoli v místě upnutí. S–N křivka ukázala očekávané zkracování životnosti se zvyšujícím se zatížením.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost přesného stanovení únavových charakteristik CFRTP pro automobilový a letecký průmysl.
• Snížení artefaktů lomu v úseku upnutí díky optimalizovaným čelistem.
• Vyšší spolehlivost dat pro návrh lehkých konstrukčních dílů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se širší využití CFRTP v masové výrobě vozidel díky recyklovatelnosti a zlepšené výrobní efektivitě. Dalšími směry jsou:

• Integrace senzoriky pro online monitorování únavy.
• Vývoj adaptivních upínacích systémů pro různé kompozity.
• Numerické modelování únavového chování pro prediktivní údržbu.

Závěr

Zkoušky potvrdily vhodnost stolního servopulzního systému Servopulser EHF-L a nových upínacích čelistí pro spolehlivé hodnocení únavy CFRTP. Výsledky poskytují cenná data pro konstrukční aplikace a další výzkum únavového chování kompozitních materiálů.

Reference

1. Servopulser EHF-L Series Application News, Shimadzu Corporation, 2025
2. Tsubasa Yamamoto, Fumiaki Yano: Fatigue Testing of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic (CFRTP), Shimadzu Application Note 01-00948-EN, Oct. 2025