Introducere … [303327]

Cuprins

Rezumat ……………………………………………………………………………………………………………………. Abstract …………………………………………………………………………………………………………………….

Cuprins ……………………………………………………………………………………………………………………..

Introducere ………………………………………………………………………………………………………………

Capitolul 1. ………………………………………………………………………………………………………………

Stadiul actual

Obiectivele studiului ……………………………………………………………………………………………..

Capitolul 2………………………………………………………………………………………………………….

Formarea materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică

2.1. Caracterizarea țesăturilor folosite………………………………………………………………..

2.2. Rășina epoxidică utilizată ………………………………………………………………………………

2.3. Etapele formării materialelor compozite

Lamine

Laminate

Capitolul 3. ………………………………………………………………………………………………………………

Proprietăți termice ale laminelor

Căldura specifică a laminelor

Coeficientul de dilatare termică a laminelor

Capitolul 4

Analiza conductivității electrice a materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică.

4.1. Metoda experimentală de determinare a conductivității electrice a materialelor compozite.

4.2. Conductivitatea electrică a [anonimizat] 4020, HT2, C.

Capitolul 5. ……………………………………………………………………………………………………………. PROPRIETĂȚI MECANICE LAMINE ȘI LAMINATE

5.1 Tractiune lamine

5.1.1 Modulul de elasticitate al laminelor

5.1.2 Coeficientul Poisson al laminelor

5.2 Tractiune statica laminate

5.2.1 Modulul de elasticitate al laminatelor

5.2.2 Coeficientul Poisson al laminatelor

5.3Tractiune dinamica laminate

Capitolul 6. …………………………………………………………………………………………………………….

Concluzii finale și direcții de cerecetare ……………………………………………………………….

Referințe bibliografice …………………………………………………………………………………………

Activitate științifică……………………………………………………………………………………………..

Conferințe ………………………………………………………………………………………………………….

Publicații ……………………………………………………………………………………………………………

Curriculum vitae ……………………………………………………………………………………………………

2. [anonimizat]ite cu matrice epoxidice și armate cu țesături au fost decelate câteva concluzii extrem de importante. Între acestea, poate cea mai importantă, este legată de faptul că obținerea unui material compozit valoros este un proces amplu care începe cu proiectarea, continua cu alegerea materialelor și a tehnologiei de formare și se încheie cu carcaterizarea și testarea materialului. Scopul acestei lucrări de cercetare este acela de a analiza proprietățile unor compozite polimerice armate cu țesături și de a determina modul în care utilizarea unei rășini sau a alteia produce schimbări în comportamentul (mechanic, termic sau electromagnetic) materialului format. În egală măsură, un alt obiectiv al studiului, a fost legat de a verifica funcționarea modelului laminatului pentru compozite armate cu țesături pornind de la studiul laminelor armate cu țesături (adică al unei țesături plasate într-o matrice polimerică). Pentru atingerea scopului au fost stabilite următoarele obiective:

cercetări privind studierea compozitelor cu matrice epoxidice și armate cu diferite tipuri de țesături;

analiza proprietăților materialelor compozite cu matrice epoxidice și armate cu țesături;

studiul modului în care diferite tipuri de țesături utilizate modifică proprietățile materialului compozit;

investigarea exfolierii compozitelor și efectul acesteia asupra proprietăților materialului;

pregătirea țesăturilor și matrițelor pentru a asigura așezarea corectă a straturilor de țesătură, controlul în timpul formării laminei/laminatului și posibilitatea extracției epruvetelor necesare;

formarea, caracterizarea și testarea laminelor și laminatelor armate cu țesături cu matrice epoxidică;

pregătirea epruvetelor pentru efectuarea diferitelor teste;

caracterizarea și testarea materialelor armate cu țesături și matrice epoxidică;

măsurarea parametrilor ce caracterizează proprietățile termice ale laminelor;

determinarea coeficienților de dilatare termică liniară în direcție perpendiculară pe planul de armare a laminelor formate;

determinarea căldurii specifice a materialelor;

analiza proprietăților termice ale materialelor formate;

măsurarea parametrilor electrici și determinarea conductivității electrice a laminelor formate;

testarea la tracțiune și determinarea caracteristicilor mecanice ale laminelor/laminatelor cu orientarea fibrelor din țesătură la diferite unghiuri;

măsurarea parametrilor ce caracterizează proprietățile elastice la tracțiune ale materialelor formate;

analiza parametrilor elastici la tracțiune ai laminelor armate cu țesături cu matrice epoxidică;

compararea valorilor modulului de elasticitate a laminelor cu a laminatelor obținute în urma testelor efectuate;

analiza și compararea valorilor de rezistență la tracțiune a laminelor comparativ cu laminatele;

testarea la tracțiune dinamică și determinarea comportamentului laminatelor pentru testele la oboseală;

compararea valorilor obținute pentru materialele cu matrice epoxidice diferite pentru a identifica influența polimerului utilizat asupra proprietăților acestora.

3. Formarea materialelor compozite

De obicei, materiale noi apar din cauza necesității de a îmbunătăți eficiența structurii și a performanței, și ca o regulă, materiale noi, la rîndul lor oferă noi oportunități de a se dezvolta. Materiale structurale ar trebui să aibă un număr mare de caracteristici fizice, chimice și alte tipuri de proprietăți, dar există cel puțin două caracteristici principale care sunt de o importanță primară. Aceste caracteristici sunt rigiditatea și rezistența, care imprimă structurii capacitatea de a menține forma și dimensiunile acesteia sub încărcare sau orice altă acțiune externă. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Materiale polimerice armate cu fibre (FRP) sunt utilizate din ce în ce mai mult în aplicații din cele mai diverse de la infrastructura metropolitană până la industria aerospațială. Avantajele materialelor compozite polimerice armate sunt:

densitatea redusă;

rezistența la coroziune;

durata de viață mai lungă și costuri reduse de întreținere;

rezistență mecanică ridicată. Xu Jiang, Henk Kolstein, Frans S.K. Bijlaard, Moisture diffusion in glass–fiber-reinforced polymer composite bridge under hot/wet environment, Composites Part B: Engineering,Volume 45, Issue 1, February 2013, Pages 407–416

Pentru a valorifica rezistența ridicată și rigiditatea fibrelor într-un material compozit monolit, potrivit pentru inginerești, fibrele trebuie legate cu ajutorul unui material ale cărui rezistență și rigiditate sunt, în mod natural, mult mai mici decât cele din fibre, numit matrice. Matricele furnizează forma finală a structurii din materiale compozite și guvernează parametrii procesului de fabricație. Combinația optimă de proprietăți de fibre și matrice trebuie să îndeplinească un set de cerințe operaționale și de producție, care, uneori, sunt contradictorii. Aceste cerințe au fost îndeplinite pentru toate compozitele deja formate (și aplicate) chiar dacă acest ansablu de condiții nu a fost explicitat. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Performanța unui material este, în general, evaluată prin intermediul unei mărimi a cărei valoare este variabilă, cum ar fi deplasarea unui punct, tensiunea maximă, etc., sau prin intermediul unui set de mărimi variabile (ne referim la valoare variabilă a mărimii). În cazul materialelor compozite variabilitatea anumitor parametri apare din variabilitatea proprietăților constituenților, din variabilitatea distribuției acestora, din geometria structurală, din variabilitatea condițiilor de încărcare și, nu în ultimul rând, din variabilitatea condițiilor de formare (de fabricație). Ca un material deortotropic, această variabilitate poate duce la un eșec catastrofal, în principal, atunci când inexactitate apare în direcția de încărcare sau de orientare a fibrei, în timp ce abordarea tradițională a factorilor de siguranță ar putea avea ca rezultat un conservatorism costisitoare și inutilă, ceea ce reprezintă un dezavantaj serios pentru a face compozite competitive și durabile. Manuel Chiachio, Juan Chiachio, Guillermo Rus, Reliability in composites – A selective review and survey of current development, Composites Part B: Engineering, Volume 43, Issue 3, April 2012, Pages 902–913

Materiale compozite armate cu fibre sunt utilizate în diverse aplicații în sectoare industriale cu nivel înalt de tehnologie, cum ar fi industria aerospațială, industria auto și industria energetică (energie eoliană). Cererea foarte mare a pieței mare determină creșterea permanentă a producției de materiale sau structuri compozite, puternic susținută de rezistența mecanică foarte mare, de densitatea redusă dar și de cadența de formare și de complexitatea structurilor de formarespecifică – comparativ cu metalele – și fără a lua în considerare faptul că, în cazul structurilor compozite, nu sunt necesare lucrări complexe de finisaj sau acoperire. Norshah Aizat Shuaib, Paul Tarisai Mativenga, Energy demand in mechanical recycling of glass fibre reinforced thermoset plastic composites, Journal of Cleaner Production, Volume 120, 1 May 2016, Pages 198–206

În ultima perioadă o atenție deosebită este acordată compozitelor hibride și aici este vorba de compozite cu aceeași matrice dar cu tipuri diferite de fibre de armare sau de matrice armate cu același tip de țesătură dar cu gradient al unei propreități sau de compozite complexe armate cu diferite tipuri de fibre, modificate cu diverși agenți și cu matrice realizate din doi sau mai mulți polimeri. Atunci când se analizează proprietățile mecanice ale compozitelor hibride, regula general a amestecurilor poate fi utilizată pentru descrirea unei anumite proprietăți a materialului bazat pe cunoașterea fracțiilor volumice ale componentelor sale și pe proprietățile acestor componente. Un efect pozitiv sau negativ, în cazul unui compozit hibrid, este definit ca o abatere, pozitivă sau negativă, a unei anumite proprietăți mecanice față du un material de referință (de obicei un comopozit cu două faze). În plus, în ceea ce privește compozitele ortotrope, un studiu recent privind materialele compozite hibride realizate din fibre de carbon și țesături de fibre de sticlă a arătat că atât la tracțiune cît și la compresiune compozitul hibrid a prezentat efecte pozitive (creșteri ale valorilor parametrilor măsurați – rezistența). În cazul materialelor compozite (simple sau hibride) se manifestă o largă variabilitate a rezultatelor obținute iar această variabilitate este indusă, în primul rând, de variabilitatea proprietăților componentelor, din variabilitatea distribuției fibrelor de armare, din geometria structurală, din procesul de formare sau din condițiile de testare. Chensong Dong, Mehdi Kalantari, Ian J. Davies, Robustness for unidirectional carbon/glass fibre reinforced hybrid epoxy composites under flexural loading, Composite Structures, Volume 128, 15 September 2015, Pages 354–362

Studiile efectuate în ultimii douăzeci de ani au relevat faptul că materialele compozite cu matrice epoxidică armate cu fibre sunt dintre cele mai performante în ceea ce privește proprietățile mecanice. În cazul acestor materiale trebuie evidențiate două aspecte fundamentale: pe de o parte faptul că rășinile epoxidice nu se încadrează în cateogria substanțelor ecologice (environmental friendly) și, pe de altă parte faptul că, fiind materiale polimerice termorigide, nu pot fi realizate structuri compozite prin presarea unor pre-preguri (ci numai prin eventuala lipire a acestora). Astfel se pierde unul dintre avantajele determinante ale matricelor termoplastice armate cu fibre – cadența mare de formare. O soluție tehnică există însă – formarea lay-up care permite folosirea diferitelor tipuri de fibre, pe de o parte și, pe de altă parte, permite modificarea matricei de la un strat la altul al materialului dar asigurând stabilirea unor legături polimerice inter- și translaminare care permit materialului să se comporte ca un întreg atunci când este supus diferitelor tipuri de încărcări.

O altă problemă este legată de dificultatea menținerii distribuției regulate a fibrelor în timpul formării, cu atât mai mult cu cât lay-up-ul presupune întinderea mecanică a polimerului (amestecului pre-polimeric) peste fibre utilizând pensule sau spatule. Pentru rezolvarea acestei probleme o soluție extrem de atractivă este aceea de a utiliza țesături bidirecționale în loc de pre-preguri ortotrope orientate sub diverse unghiuri (pentru a reduce anizotropia). Și în acest caz se poate vorbi de un dezvantaj – faptul că țesăturile utilizate în general ca elemente de armare (realizate din fibre de carbon, fibre de sticlă sau fibre aramidice) sunt instabile, distribuția regulată a fibrelor fiind deranjată de orice mic efort determinat de mișcarea pensulei sau spatulei. Marele avantaj al utilizării țesăturilor este totți legat de faptul că utilizarea acestora permite obținerea unor structuri cu suprafețe sinuoase și complexe în care densitatea transversală a fibrelor este constantă. În general, proprietățile mecanice ale unui compozit armat obținut prin laminare pot fi evaluate (într-o primă abordare) folosind binecunocutul model al laminatului în care lamina este considerată element constitutiv. În cazul compozitelor armate cu țesături există însă o problemă și aceasta este legată de modul în care ar putea fi descrise proprietățile elastice ale laminei – în termeni de proprietăți elastice ale fibrelor, proprietăți mecanice ale matricei și parametrii geometrici și inginerești ai țesăturii. Vasiliev

Prezentul studiu a pornit de la ideea testării la oboseală a materialelor compozite armate cu țesături pentru a înțelege efectele acesteia asupra proprietăților de ansamblu ale acestor materiale și a fost extins la verificarea pe cale experimentală a două modele matematice foarte utilizate în analiza compozitelor: pe de o parte modelul laminatului atunci când se cunosc parametri elastci ai laminelor și, pe de altă parte, verificarea modelului constantelor elastice ale laminelor într-un sistem oarecare de referință atunci când sunt cunoscute valorile parametrilor respectivi într-un alt sistem de referință (acesta fiind, de fapt, o componentă semnificativă a modelului laminatului). Elementul de noutate este acela al analizei laminelor armate cu țesături (straturi de țesătură imersate în polimer) efectuat pentru trei tipuri de rășini epoxidice și pentru 18 tipuri diferite de țesături.

3.1. Pregătirea țesăturilor

Timp de decenii compozitele textile, confecționate din țesături au fost folosite cu succes în avioane și automobile, în inginerie a crescut un interes deosebit și câștigă datorită proprietăților lor mecanice excelente, cum ar fi rezistență foarte ridicată și proprietăți excelente de formabilitate.  Compozite fibroase prezintă caracteristici îmbunătățite la rigiditate și anume rezistență specifică ridicată, deformabilitate bună, stabilitate dimensională, dilatare termică redusă, o bună rezistență la coroziune și multe altele. Angela Madeo, Gabriele Barbagallo, Marco Valerio D’Agostino, Philippe Boisse, Continuum and discrete models for unbalanced woven fabrics, International Journal of Solids and Structures, Volumes 94–95, September 2016, Pages 263–284

Polimeri termoplastici armați cu fibre sunt materiale atrăgătoare pentru a fi utilizate în aplicații tehnice, în special din cauza rigidității mare în raport cu densitate. Cu toate acestea, polimerii au un comportament mecanic anizotrop complex, din cauza specificităților de comportament termoplastic a matricei și caracteristicile de armare eterogene, în special în ceea ce privește orientarea fibrelor. D. Notta-Cuvier, M. Nciri, F. Lauro, R. Delille, F. Chaari, F. Robache, G. Haugou, Y. Maalej, Coupled influence of strain rate and heterogeneous fibre orientation on the mechanical behaviour of short-glass-fibre reinforced polypropylene, Mechanics of Materials, Volume 100, September 2016, Pages 186–197

Utilizarea materialelor polimerice armate cu fibre (FRP) a crescut în mod semnificativ în mai multe aplicații, inclusiv în industrie, construcții și transport, datorită greutății sale ușoare, rigiditate mare, rezistență ridicată la tracțiune, rezistență bună, durabilitate și rezistență la temperaturi ridicate. În acest sens, mai multe produse sunt fabricate recent de materiale FRP în industria construcțiilor, cum ar fi foi pentru consolidarea elementelor structurale (cum ar fi grinzi, stâlpi, și plăci), bare pentru a consolida betonului datorită proprietăților bune ale materialelor, FRP împotriva coroziunii. M. Mastali, A. Dalvand, A.R. Sattarifard, The impact resistance and mechanical properties of reinforced self-compacting concrete with recycled glass fibre reinforced polymers, Journal of Cleaner Production, Volume 124, 15 June 2016, Pages 312–324

Structura țesăturii este caracterizată prin două direcții principale (urzeală și bătăie), prin urmare, în aceste direcții țesătura are o rigiditate extensional foarte mare. Felul în care sunt țesute aceste țesături variază în funcție de diferitele metode de producție și este posibil să se observe diferite scheme de modele de țesătură. Fiecare dintre aceste sisteme conduce la un alt tip de armături compozit și, prin urmare, la proprietăți mecanice diferite. Mai mult decât atât, urzeală și bătăie din tesatura poate să fie echilibrat (cu aceleași proprietăți) sau neechilibrată (urzeală și bătătură prezintă caracteristici diferite,  de exemplu, la un număr diferit de fibre). Astfel de țesături neechilibrate pot fi de folos, de exemplu, în toate acele aplicații de inginerie care necesită un material care trebuie să fie subliniat într – o direcție principală. În astfel de situații, utilizarea unui material textil dezechilibrat conferă un avantaj real în ceea ce privește răspunsul materialului și, prin urmare , un avantaj economic. Angela Madeo, Gabriele Barbagallo, Marco Valerio D’Agostino, Philippe Boisse, Continuum and discrete models for unbalanced woven fabrics, International Journal of Solids and Structures, Volumes 94–95, September 2016, Pages 263–284

Materiale fabricate ale căror proprietăți sunt mai apropiate de cele ale compozite unidirecționale sunt realizate prin țeserea unui număr mai mare de fire în direcție longitudinala și mai puține fire în direcția perpendiculară. O astfel de legătură este numita unidirecțională. Acesta oferă materiale cu rigiditate ridicată și rezistență într-o singură direcție, care este specifică pentru compozite unidirecționale și prelucrabilitate ridicată tipic pentru compozite armate cu țesătura. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Matrici polimerice fiind combinate cu sticlă, carbon, fibre organice și bor, obținându-se o clasă largă de materiale compozite polimerice cu rezistență și rigiditate ridicată, densitate scăzută, rezistență ridicată la oboseală și rezistență chimică excelentă. Principalul dezavantaj al acestor materiale este relativ redus (în comparație cu metalele) rezistența la temperatură limitată de matrice. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Polimerii armati cu fibre de carbon (CFRP) este deja un material ușor comun în aplicații aerospațiale și este de așteptat să fie utilizate din ce în ce mai mult în aplicații auto în viitor. Xiang Li, Ruibin Bai, Jon McKechnie, Environmental and financial performance of mechanical recycling of carbon fibre reinforced polymers and comparison with conventional disposal routes, Journal of Cleaner Production, Volume 127, 2016, Pages 451–460

Proprietățile industriale și structurale ale materiale compozite armate cu țesăturilor din fibre de carbon le face atractive pentru o gamă largă de compozite. Materialele compozite armate cu fibre de carbon sunt promițătoare pentru aplicații noi. Greutatea lor redusă și rezistență mare la deteriorarea acestor materiale sunt larg utilizate pentru instrumentele ușoare, de construcție, în special în ingineria aerospațială. Utilizarea unor cantități substanțiale în compozite cu fibre de carbon la aeronave comerciale, cum ar fi Boeing 787 și Airbus A350 demonstrează importanța materialelor cu densitate scăzută în structuri de înaltă performanță. Arash Kariminejad, Ehsan Taheri-Nassaj, Morteza Ghanbarian, S.A. Hassanzadeh-Tabrizi, Effects of PACVD parameters including pulsed direct current and deposition time on nanostructured carbon coating deposited on carbon fiber fabrics, Materials & Design, Volume 106, 15 September 2016, Pages 184–194

Utilizarea polimerilor armati cu fibra de carbon a crescut rapid pe parcursul ultimelor decenii. Proprietățile lor specifice îmbunătățite ii fac atractivi pentru aplicații structurale în domeniile emergente ale tehnologiei industriale, cum ar fi industria aerospațială, auto, feroviara, maritima, precum și industria de apărare. Una dintre cele mai importante caracteristici mecanice ale compozitelor cu fibre de carbon este rezistența la exfoliere. Rezistența la fracturare interlaminare joacă un rol important în formarea și propagarea daunelor. Prezența delaminării poate duce la o pierdere de rigiditate, care poate fi o caracteristica foarte importanta, trebuie luata în considerație și poate avea ca rezultat final avarierea structurii compozite. V. Kostopoulos, A. Kotrotsos, S. Tsantzalis, P. Tsokanas, T. Loutas, A.W. Bosman, Toughening and healing of continuous fibre reinforced composites by supramolecular polymers, Composites Science and Technology, Volume 128, 18 May 2016, Pages 84–93

Materiale compozite armate cu fibra de carbon au atras o atenție deosebită în ultimele decenii, pentru proprietățile termice, electrice și proprietăți mecanice, ceea ce face aceste alegeri excelente pentru aplicații de înaltă performanță, dar fără a se limita la acestea, inclusiv sateliți, vehicule spațiale, rezervoare criogenice, avioane și elicoptere. Pentru unele dintre aceste aplicații, condițiile de funcționare sunt considerate extreme. Jihane Ajaja, François Barthelat, Damage accumulation in a carbon fiber fabric reinforced cyanate ester composite subjected to mechanical loading and thermal cycling, Composites Part B: Engineering,Volume 90, 1 April 2016, Pages 523–529

Din cauza rigidității ridicate specifice, greutate mecanică și rezistență, polimeri armați cu fibra de carbon realizați, sunt tot mai mult utilizați drept componente structurale în aeronavă și industria de automobile. A.N. Fuchs, M. Schoeberl, J. Tremmer, M.F. Zaeh,  Laser Cutting of Carbon Fiber Fabrics, Physics Procedia, Volume 41, 2013, Pages 372-380,Lasers in Manufacturing (LiM 2013)

Proprietățile țesăturii din fibre de carbon utilizate, sunt prezentate în tabelele nr. 2 – 9.

Sa raportat că diferite forme de fibre de sticla sunt utilizate ca armătură în aproximativ 95% din materiale compozite europene totale de volum. In cadrul pieții din Marea Britanie, materiale compozite din fibră de sticlă au constituit circa 97% din volumul total al cererii în 2010. Norshah Aizat Shuaib, Paul Tarisai Mativenga, Energy demand in mechanical recycling of glass fibre reinforced thermoset plastic composites, Journal of Cleaner Production, Volume 120, 1 May 2016, Pages 198–206

Materiale compozite polimerice armate cu fibre de sticlă au fost utilizat în multe aplicații de inginerie, datorită puterii sale superioare a raportului de greutate. Cu toate acestea, în ciuda utilizării sale pe parcursul mai multor decenii, există încă multe probleme nerezolvate referitoare la inițierea și propagarea daunelor interne în materiale armate cu fibre de sticlă. Ayad Kakei, J.A. Epaarachchi, Mainul Islam, J. Leng, N. Rajic, Detection and characterisation of delamination damage propagation in Woven Glass Fibre Reinforced Polymer Composite using thermoelastic response mapping, Composite Structures, Volume 153, 1 October 2016, Pages 442–450

Fibre de sticlă sunt cele mai utilizate fibre la formarea materialelor compozite. Combinarea fibrelor de sticlă cu polimeri termorigizi a însemnat primul pas în fabricarea compozitelor cu proprietăți mecanice superioare. Caracteristicile fibrelor de sticlă ușurează tehnica de formare a compozitelor. Polimerii armați cu fibre de sticlă reprezintă prima clasă de compozite utilizate pe scară largă, în special pentru producerea de ambarcațiuni ușoare de agrement. Bria, V., Contribuții la studiul proprietăților mecanice ale materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică aditivată cu amidon (teză de doctorat), Galați, 2012.

Proprietățile importante ale fibrelor de sticlă în calitate de componente ale compozite avansate pentru aplicații de inginerie sunt puterea lor ridicată care este menținută în medii umede, dar se degradeaza sub temperaturi ridicate, relativ rigiditate scăzută, rezistență chimică și biologică ridicată, și costuri reduse. Fiind de fapt, elemente de sticlă monolit, fibrele nu absorb apa și nu se schimba dimensiunile lor în apă. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Proprietățile țesăturilor simple cu fibre de sticlă utilizate sunt prezentate în tabelele 10-13.

Fibre aramide au o combinație remarcabilă de înaltă rezistență, modul ridicat, tenacitate și stabilitate termică în comparație cu multe alte fibre organice. .Bria, V., Contribuții la studiul proprietăților mecanice ale materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică aditivată cu amidon (teză de doctorat), Galați, 2012.

J.A. Bencomo-Cisneros, A. Tejeda-Ochoa, J.A. García-Estrada, C.A. Herrera-Ramírez, A. Hurtado-Macías, R. Martínez-Sánchez, J.M. Herrera-Ramírez; Characterization of Kevlar-29 fibers by tensile tests and nanoindentation, Journal of Alloys and Compounds, Volume 536, Supplement 1, 25 September 2012, Pages S456–S459, International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials, ISMANAM-2011 (26th June to July 1st 2011)

Aceste proprietăți impresionante se datorează structurii lor moleculare, dezvoltate în timpul procesului de producție, care se bazează pe tehnologia cu cristale lichide, deoarece lanțurile moleculare rigide formează o mezofază în soluție. Procesul de filare aliniază lanțurile moleculare paralele cu axa fibrei care conduc la o structură ordonată superioară , cu un grad ridicat de cristalinitate. Fibrele din kevlar au fost dezvoltate pentru aplicații industriale și tehnologie avansată, cum ar fi armură de protecție balistică, lame de elicopter, armare pneumatice și articole sportive. Proprietățile mecanice ale fibrelor de aramid sunt legate de microstructura lor particular caracterizat prin mai multe caracteristici, cum ar fi fibrile, foi plisate radiale și diferențiere a pielii de bază. O varietate de tehnici au fost folosite pentru a elucida microstructura fibrelor aramide și mai multe modele au fost propuse o trăsătură comună fiind diferențierea unei regiuni miez și coji în fiecare fibră individuală. Este clar că morfologia moleculară a fibrelor este responsabilă pentru proprietățile favorabile ale fibrelor aramide și sa dovedit extrem de valoroase pentru a evalua proprietățile mecanice ale regiunilor individuale. J.A. Bencomo-Cisneros, A. Tejeda-Ochoa, J.A. García-Estrada, C.A. Herrera-Ramírez, A. Hurtado-Macías, R. Martínez-Sánchez, J.M. Herrera-Ramírez; Characterization of Kevlar-29 fibers by tensile tests and nanoindentation, Journal of Alloys and Compounds, Volume 536, Supplement 1, 25 September 2012, Pages S456–S459, International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials, ISMANAM-2011 (26th June to July 1st 2011)

Țesături aramidice sunt recunoscute pe plan mondial ca fiind unul din materialul compozit unic cel mai eficient pentru protecția personală a vestelor. Sergio N. Monteiro, Thiago L. Milanezi, Luiz Henrique L. Louro, Édio P. Lima Jr, Fabio O. Braga, Alaelson V. Gomes, Jaroslaw W. Drelich, Novel ballistic ramie fabric composite competing with Kevlar™ fabric in multilayered armor, Materials & Design, Volume 96, 15 April 2016, Pages 263–269

Fibrele aramidice se remarcă prin capacitatea de absorbție a energiei, făcândule utile în aplicații balistice. Bria, V., Contribuții la studiul proprietăților mecanice ale materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică aditivată cu amidon (teză de doctorat), Galați, 2012.

Proprietățile țesăturii simple din fibre aramidice, utilizată sunt prezentate în tabelul nr. 14.

In ultimii ani, datorită rigidității specifică mare și rezistență specifică mare, fibrele de carbon sunt utilizate pe scară largă în domenii ale industriei reale. Din păcate, duritatea scăzută a fibrelor de carbon a limitat aria lor de aplicare, iar acest dezavantaj este evident mai ales atunci când se referă la câmp se aplică în cazul în care se poate produce un impact de sarcină cu viteză redusă. Una dintre modalitățile posibile de a rezolva această problemă este aplicarea unor compozite hibride. Compozite hibride sunt materiale realizate prin combinarea a două sau mai multe fibre diferite, într-o matrice comună. Ele oferă o gamă largă de proprietăți care nu pot fi obținute cu o singură armare. Efectul de hibridizare permite designeri-lor să-și modeleze unele proprietati ale compozitelor pentru a satisface nevoile exacte ale structurii. Mulți cercetători au adoptat cu succes abordare hibridizare pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice și pentru a îmbunătăți rezistența la deteriorare a compozitelor. Studii asupra caracteristicilor mecanice statice ale materialelor compozite hibride sunt, în general, inclusiv la tracțiune, compresiune și proprietăți de impact. Se constată că compozitele hibride au forfecare interlaminară mai mare, la tracțiune, precum și compresia după proprietăți de impact, prin utilizarea abordării hibridizarea. Bin Yang, Zhenqing Wang, Limin Zhou, Jifeng Zhang, Wenyan Liang, Experimental and numerical investigation of interply hybrid composites based on woven fabrics and PCBT resin subjected to low-velocity impact, Composite Structures, Volume 132, 15 November 2015, Pages 464–476

Materialele compozite realizate din același sistem de material de armare poate să nu fie adecvat în cazul în care suferă condiții diferite de încărcare în timpul duratei de viață. Compozitele hibride sunt cea mai bună soluție pentru astfel de aplicații. Compozitele hibride oferă o modalitate eficientă de creștere a solicitării și a impactului asupra proprietăților finale reducând în același timp costul unui material compozit avansat. Kedar S. Pandya, Ch. Veerraju, N.K. Naik, Hybrid composites made of carbon and glass woven fabrics under quasi-static loading, Materials & Design, Volume 32, Issue 7, August 2011, Pages 4094–4099

Mai mulți cercetători au adoptat cu succes hibridizare pentru caracterizarea proprietăților mecanice și pentru a îmbunătăți rezistența la deteriorare a compozitelor. M.V. Hosur, M. Adbullah, S. Jeelani, Studies on the low-velocity impact response of woven hybrid composites, Composite Structures, Volume 67, Issue 3, March 2005, Pages 253–262, Dynamic Response of Advanced Materials and Structures

Compozitele hibride armate cu mai mult de un tip de fibre sunt de un interes de cercetare mare, deoarece acestea oferă o modalitate convenabilă de a realiza proprietăți materiale adaptate. Cu toate ca fibrele de carbon sunt bine cunoscute pentru rezistență ridicată, acestea au scăzut din cauza rigidității lor. Chensong Dong, Mehdi Kalantari, Ian J. Davies, Robustness for unidirectional carbon/glass fibre reinforced hybrid epoxy composites under flexural loading, Composite Structures, Volume 128, 15 September 2015, Pages 354–362

Proprietățile de impact, îndoire si oboseala sunt de asemenea îmbunătățite pentru compozite hibride, comparativ cu celelalte. Kedar S. Pandya, Ch. Veerraju, N.K. Naik, Hybrid composites made of carbon and glass woven fabrics under quasi-static loading, Materials & Design, Volume 32, Issue 7, August 2011, Pages 4094–4099

Proprietățile ale țesăturilor mixte utilizate sunt prezentate în tabelele nr. 15-19.

3.2 Rășina epoxidică utilizată

Rigiditatea și puterea compozitelor depinde nu numai de firele tesaturii dar și de proprietățile matricei.

Rășini epoxidice – sunt, în general, mai scumpe decât cele poliesterice sau fenolice, dar au caracteristici mecanice, chimice și electrice foarte bune, cu formare la temperaturi situate între și , materiale dure și stabile dimensional în timpul întăririi (duritate de șapte ori mai mare decât a rășinilor fenolice), au structură care asigură o aderență bună la cele mai multe dintre materialelor de armare, sunt rezistente la acțiunile acizilor și solvenților, foarte rezistente la acțiunea substanțelor alcaline, foarte bune materiale electroizolatoare, stabile termic la temperaturi de până la și foarte puțin higroscopice. Au proprietăți mecanice dependente de agentul de șarjare sau de armare, proprietățile termice depind de structura chimică și de modul de întărire. Au excelente proprietăți mecanice, ciclu lung de formare, necesită agenți de demulare, rezistență mică la funcționarea continuă. Cîrciumaru A., Caracterizarea și testarea materialelor compozite cu matrice polimerică (ghid pentru lucrări practice), Editura Europlus, Galați 2013, ISBN 978-606-628-058-7

Termenul "epoxi" se referă unui grup chimic format dintr-un atom de oxigen legat la doi atomi de carbon. Cel mai simplu epoxid este o structură inelară formată din trei membri cunoscuți prin termenul "Alfa-epoxi" sau "1,2-epoxi". Produsele epoxidice diferă de rășini poliesterice în care acestea sunt vindecate printr-un "întăritor. Intaritorul, de multe ori e o amină, este utilizat pentru tratarea epoxidice printr-o "reacție de adiție", în cazul în care ambele materiale au loc în reacție chimică. Cererile de rășini epoxidice sunt extinse și includ acoperiri, adezivi si materiale compozite, cum ar fi cele care utilizează fibra de carbon si fibra de sticla. Epoxidici fiind folosit în multe aplicații. S. Mazumdar, Opportunities for termoset resin in the composites industry, Trends and Forcasts in Global Thermosets Resin Market 2008-2013, pp. 50-62, 2010.

Compozitele cu matrice de polimer sunt utilizate în mare creștere pe parcursul ultimelor patru decenii în înaltă tehnologie, precum și pentru aplicații convenționale. O varietate de sisteme de fibre și rășini sunt disponibile pentru designeri. Designerii sunt în căutare pentru o rigiditate ridicată specifică, rezistență specifică mare, stabilitate îmbunătățită, absorbția de energie, rezistentă la coroziune precum și costuri reduse, în timp ce selectați sistemele materiale pentru aplicații tipice. Kedar S. Pandya, Ch. Veerraju, N.K. Naik, Hybrid composites made of carbon and glass woven fabrics under quasi-static loading, Materials & Design, Volume 32, Issue 7, August 2011, Pages 4094–4099

Pentru formarea materialelor a fost aleasă matricea polimerică epoxidică, datorită rezistenței chimice, rezistenței mecanice, aderenței ridicate și stabilității dimensionale, aceste avantaje contribuind la utilizarea rășinilor epoxidice pentru compozitele de performanță înaltă. Din categoria rășinilor epoxidice au fost utilizate:

sistemul bicomponent EPIPHEN: componenta de bază EPIPHEN RE 4020 (bisfenol A) și întăritor EPIPHEN DE 4020 (amină alifatică modificată), datorită proprietăților rășinii de impregnare înainte/după polimerizare, care sunt prezentate în tabelele 20 și 21.

sistemul C: componenta de bază C și întăritor C, proprietăților rășinii de impregnare înainte de polimerizare, sunt prezentate în tabelul 22.

sistemul HT2: componenta de bază HT2 și întăritor HT2, proprietăților rășinii de impregnare înainte de polimerizare, sunt prezentate în tabelul 23.

La tratarea țesăturilor cu rășina epoxidică este important ca să se aplice un strat foarte subțire de rășină, pentru ca la formarea materialelor în matriță laminele să poată fi impregnate de rășina aditivată.

3.3 Formarea materialelor compozite: lamine, laminate

3.3.1 Formarea laminelor

O lamina sau un strat este o folie tipic dintr-un material compozit. Ea reprezintă fundamental unui bloc de construcții. O lamina armată cu fibre este format din mai multe fibre încorporate într-un material matrice, care poate fi un metal cum ar fi aluminiul, sau un metaloid cum ar fi termorigid sau polimer termoplastic. De multe ori, se adaugă agenți de cuplare (chimici) și umpluturi pentru a îmbunătăți legătura dintre fibre și materialul de matrice și de a crește duritatea. Fibrele pot fi continue sau discontinue, țesute, unidirecțional, bidirecțional, sau distribuite în mod aleatoriu. Laminele unidirecționale armate cu fibre prezintă cea mai mare concentrație și modulul în direcția fibrelor, dar ele au o putere foarte scăzută în direcția transversală a fibrelor. Reddy, J.N., Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells.Theory and Analysis, CRC Press LLC, ISBN 0-8493-1592-1, 2003.

Pentru îndeplinirea obiectivelor studiului au fost formate 57 lamine, sunt considerate materialele de bază în raport cu care se vor analiza proprietățile laminatelor pentru a determina influența tipurilor de țesături utilizate, orientării fibrelor laminelor la diferite unghiuri, hibridizării laminatelor, matricei epoxidice asupra performanței la tracțiune.

În ceea ce privește tipul de matrice utilizată, din categoria materialelor compozite cu armătură omogenă, cîte 19 materiale compozite au fost formate cu rășină epoxidică de tip E, C, HT2 proprietățile sunt prezentate în tabelele 6.1 – 6.3.

Materialele de bază au fost armate cu fiecare tip de țesătură și se consideră a avea armătură omogenă, fiecare având orientarea fibrelor laminelor la 0ș, cu excepția țesăturii mixtă compusă din fascicule de filamente de carbon și fascicule de filamente aramidice cu densitatea specifică de 188 [g/m2], care are orientarea fibrelor în ambele direcții, atît la 0ș în direcția urzelii cît și în direcția bătăii la 90ș. În ceea ce privește țesăturile utilizate pentru compozitele formate, proprietățile sunt prezentate în tabelele 6.1 – 6.3.

Pentru formarea materialelor au fost utilizate două plăci de sticlă cu dimensiuni de 650×650 mm. Pentru scoaterea mai eficientă a compozitelor polimerice din matriță, între plăcile de sticlă și material au fost utilizate foliilor de PET ca agent de demulare. Matricea epoxidică nu aderă la foliile PET. Foliile au o calitate a suprafeței foarte bună și o rigiditate suficientă pentru a menține forma dorită. După așezarea stratului matrița este închisă și prin aplicarea unei presiuni este eliminat surplusul de rășină și gazele din interior.

După polimerizării matricei epoxidice din lamine, au fost decupate epruvete pentru mai multe tipuri de teste, caracteristice pentru determinarea proprietăților mecanice, termice, electrice. (fig. 3.3).

Figura 16. Proiectarea, decuparea, tratarea termică a laminelor.

În cazul utilizării sistemului epoxidic, pentru finalizarea polimerizării matricei epoxidice și îmbunătățirea proprietăților mecanice, se recomandă tratarea termică a materialelor formate, astfel laminele au fost tratate termic în etuvă 5 ore la 80șC.

3.3.2 Formarea laminatelor

Un laminat este o colecție de lamine stivuite pentru a obține rigiditatea și grosimea dorită. De exemplu, laminele unidirecționale armate cu fibre pot fi aranjate astfel încât fibrele din fiecare lamina sunt orientate în direcții identice sau diferite. Secvența orientări straturilor într-un laminat ale unui compozit armat cu fibre este denumit schema de laminare sau a secvenței de stivuire. Straturile sunt, de obicei, legate între ele cu același material ca și matrice, ca și într-o lamina. În cazul în care un laminat are straturi cu fibre orientate la 30 ° sau 45 °, se poate lua încărcături de forfecare. Schema de laminare și proprietățile unei lamine individuale a materialului compozit oferă o flexibilitate pentru designer, pentru a adapta rigiditatea și rezistența laminatului pentru a se potrivi cerințele de rigiditate și de rezistență structurală. Reddy, J.N., Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells.Theory and Analysis, CRC Press LLC, ISBN 0-8493-1592-1, 2003.

Un laminat tipic compozit este format din straturi individuale, care sunt de obicei realizate din straturi unidirecționale cu aceeași sau orientare alternantă regulată. Un strat poate fi, de asemenea, realizat din metale, polimeri termorigizi sau termoplastici și țesături sau pot avea o structură spațială tridimensională armat. O structură compozită tipică constă dintr-un sistem de straturi lipite împreună. Straturile pot fi realizate din diferite materiale izotrope sau anizotrope, și pot avea diferite structuri, grosimi și proprietăți mecanice. In contrast cu straturi tipice ale căror proprietăți de bază sunt determinată experimental, caracteristicile laminatelor sunt de obicei calculate folosind informațiile referitoare la numărul de straturi, succesiunea lor de stivuire, geometria și proprietățile mecanice care trebuie să fie cunoscute. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

Figura 5.10. Structura laminatului. Vasiliev, V.V., Morozov, E.V., Mechanics and Analysis of Composite Materials, Elsevier, ISBN: 0-08-042702-2, 2007.

În urma concluziilor formulate după o serie de teste mecanice, termice și electrice efectuate pe lamine armate cu țesături, au fost stabilite etapele de formare și arhitectura compozitele laminate.

Pentru formarea laminatelor au fost decupate țesături cu dimensiunile de 650×650 mm și orientarea fibrelor la 0°.

Pornind de la experiența acumulată la formarea laminelor, metodă rămîne aceeași, dar în acest caz pentru a asigura o fracție volumică mai mare a armăturii, mai multe straturi de țesătură vor fi introduse în matrice. La formarea laminatului, laminele unidirecționale au fost suprapuse una după alta, astfel încât fibrele din lamine sa fie orientate identic pentru toate laminele, țesăturile fiind fost îmbibate cu rășină aditivată. Laminele sunt lipite cu același tip de material cu cel din care este constituită matricea laminelor. Matricea s-a format prin utilizarea unui mixer mecanic pentru omogenizarea rășinei cu întăritor. În ceea ce privește tipul de matrice utilizat, toate materiale compozite au fost formate cu rășină epoxidică de tip EPIPHEN RE 4020 și întăritor EPIPHEN DE 4020.

Pentru formarea materialelor au fost utilizate două plăci de sticlă, ca agent de demulare între plăcile de sticlă și material s-a utilizat folie de PET, pentru a facilita extragerea laminatului, în cazul surplusului de material, acesta fiind ușor de înlăturat. Mărimile plăcilor au fost alese pentru a nu influența formarea laminei.

Laminele au fost aranjate în matriță strat cu strat prin îmbibarea și înglobarea directă a acestora în matrice. După introducerea tuturor straturilor matrița a fost închisă. Prin aplicarea unei presiuni este eliminat surplusul de rășină și gazele din interior. Compozitele se lasă la polimerizat 24 ore în matriță.

După scoaterea plăcilor din matriță, au fost măsurați – prin metode recomandate de standardele electrotehnice – parametrii electrici ai tuturor materialelor compozite formate, apoi s-a proiectat forma și dimensiunile dorite pentru epruvete în funcție de grosimea plăcii, cu ajutorul programului Autocad, după care din fiecare material au fost extrase cu ajutorul mașinii cu jet de apă epruvetele pentru mai multe tipuri de teste, caracteristice pentru determinarea proprietăților mecanice, termice și electrice.

Din aceste plăci s-au decupat epruvete conform standardului SR EN ISO 527-4 , la diferite unghiuri ale țesăturii. În urma optimizării aranjării epruvetelor pe placa formată, s-au stabilit următoarele unghiuri ale epruvetelor: 00, 900, 300, 450 față de urzeală. Pentru fiecare unghi, s-au decupat mai multe probe de testare pentru eliminarea erorilor de măsurare, caracteristice procedurii de măsurare și pentru estimarea cât mai reală a proprietăților mecanice.

În cazul utilizării sistemului epoxidic, pentru finalizarea polimerizării matricei epoxidice și îmbunătățirea proprietăților mecanice, se recomandă tratarea termică a materialelor formate, astfel după taierea epruvetelor, laminatele au fost tratate termic în etuvă 5 ore la 80șC.

Toate cele 16 laminate au fost formate din 9 straturi identice, armate cu țesături diferite, proprietățile fizice ale țesaturilor sunt date în tabelele 1. – 3. , fiecare laminat a fost format dintr-un singur tip de țesătură și orientarea fibrelor la 00.

4. Proprietăți termice ale laminelor

Căldura specifică a laminelor

Calorimetrie de scanare diferențială (DSC) este o tehnică termo-analitice utilizate pe scara larga pentru a determina procesele active termic care apar în materialele în timpul unui program de temperatură definită.  A. Brandenburg, E. Wappler,  J. Kita, R. Moos, Miniaturized ceramic DSC device with strain gauge-based mass detection—First steps to realize a fully integrated DSC/TGA device, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 241, 2016, Pages 145–151

Principala tehnică a analizei termice este calorimetria cu scanare diferențială, Differential Scanning Calorimetry (DSC). Calorimetria cu scanare diferențială determină căldura specifică la presiune constantă.

DSC are avantajul de a măsura în mod direct și precis căldura exotermă și endotermă cu rata de scanare constantă. Osamu Nakabeppu , Kohei Deno, Nano-DTA and nano-DSC with cantilever-type calorimeter, Thermochimica Acta, Volume 637, 10 August 2016, Pages 1–10

Pentru măsurarea căldurii specifice a compozitelor polimerice epoxidice, standardul de testare este ASTM E1269-05 [16].

Tehnica de calorimetrie cu scanare diferențială este utilizat pentru a detecta și cuantifica evenimentele termice într-un material. Aceste evenimente termice includ topiri, cristalizări, reactii chimice și volatilizare. Edwin F Meyer III, Applied Polymer Science: 21st Century, The thermal analysis of polymers, Elsevier, ISBN: 978-0-08-043417-9, pag: 893-912, 2000.

Calorimetria cu scanare diferențială este o tehnică ce constă în monitorizarea fluxului de căldură înainte și după trecerea prin proba de analizat. Iulia GRAUR, Studiul proprietăților mecanice ale materialelor epoxidice aditivate cu substanțe ionice prin strategii de dispersie bazate pe utilizarea ultrasunetelor amidon (teză de doctorat), Galați, 2015

Pentru determinarea căldurii specifice a fost utilizat calorimetrul cu scanare diferențială DSC1 – figura x.1, de producătorul METTLER TOLEDO, iar valorile rezultate au fost evaluate utilizându-se software-ul STARe furnizat de același producător.

Metoda DSC masoara fluxul de căldură dintre o proba si o referinta, supuse aceluiasi program de temperature.

Celulă conține două poziții de probă și de referință și este închisă cu un capac. Setările instrumentului folosite pentru fiecare pas experimental sunt identice iar creuzetul de referință gol este folosit pentru toate etapele și nu este scos din cuptorul DSC-ului. Astfel datele obținute în acest moment sunt teoretic suficiente pentru a calcula căldura specifică a probei. Cele mai recomandate rate de încălzire sunt în intervalul de 5-20°C/min cu o viteză de 10°C/min. Iulia GRAUR, Studiul proprietăților mecanice ale materialelor epoxidice aditivate cu substanțe ionice prin strategii de dispersie bazate pe utilizarea ultrasunetelor amidon (teză de doctorat), Galați, 2015

În mod ideal, masa de probă pentru un experiment DSC este de aproximativ 5 mg, deși pot fi utilizate probe mai ușoare. Proba este apoi plasat într-o cutie de aluminiu cilindric care, de obicei, are diametru de aproximativ 1 mm și 5 mm. Pentru a optimiza transferul de energie termică, proba trebuie să fie dispersate uniform în creuzet. Pentru a asigura un contact termic bun, deasupra creuzetului se plasează un capac de aluminiu. Edwin F Meyer III, Applied Polymer Science: 21st Century, The thermal analysis of polymers, Elsevier, ISBN: 978-0-08-043417-9, pag: 893-912, 2000.

Principiul de funcționare al DSC este că temperaturile eșantionului și referința sunt menținute la aceeași valoare și în cazul în care există o tranziție de fază în eșantion, temperatura este mai scăzută decât temperatura de referință. Prin urmare ,semnalul de măsurare primar este diferența de temperatură dintre eșantion și referință. Karthikeyan Kumarasamy, Jinliang An, Jinglei Yang, En-Hua Yang, Numerical techniques to model conduction dominant phase change systems: A CFD approach and validation with DSC curve, Energy and Buildings, Volume 118, 15 April 2016, Pages 240–248

Pentru a obține măsurători precise, probele testate au fost depozitate în aceleași condiții. Aplicația soft STARe permite evaluarea directă a căldurii specifice pe curbele de încălzire și respectiv răcire a materialului studiat. Pentru a asigura acuratețea determinărilor, epruvetele au fost cântărite înainte și după determinarea căldurii specifice, acestea cântărind între 1,3 mg și maxim 5,8 mg.

Curbele prezentate în fig. 5.2. reprezintă fluxul de căldură pentru proba laminelor armate cu țesături din carbon și rășină epoxidică Ht la încălzire și răcire și constituie fundamentarea alegerii intervalelor de temperatură pentru studiul căldurii specifice pentru materialele formate fără a lua în calcul temperaturile înalte atât timp cât producătorul rășinii recomandă utilizarea materialului la temperaturi sub 200°C.

Figura 5.2. Curba DSC caracteristică pentru o lamină armată cu țesătură

din carbon și rășină epoxidică Ht.

Curbele prezentate în fig. 4.5 reprezintă fluxul de căldură pentru probele a mai multor lamine armate cu țesături din carbon, sticlă, aramid și țesătură mixtă cu rășină epoxidică C la încălzire și racire.

Figura 4.5. Curbe DSC caracteristică laminelor cu rășină epoxidică C.

În tabelul 5.1. sunt date valorile căldurilor specifice pe curbele de încălzire/ răcire pentru intervalul de temperatură 30-149°C pentru laminele cu rășina epoxidică C, în tabelul 5.2. sunt date valorile căldurii specifice pentru același intervalul de temperature dar cu rășina epoxidică E, și în tabelul 5.3. sunt date valorile căldurii specifice pentru același intervalul de temperature dar cu rășina epoxidică HT. Așa după cum se poate observa, pe toate intervalele de temperature, există diferențe între căldurile specifice determinate pe încălzire și, respectiv, răcire. Probele testate termic au fost cântărite înainte și după testare pentru a deosebi eventualele pierderi de substanță produse de creșterea de temperatură. Rezultatele prezentate pentru căldura specifică reprezintă valori medii ale datelor experimentale culese pe câte trei probe din fiecare lamină.

Tabelul 5.1. Valorile căldurii specifice a laminelor pe intervalul 30-149°C, c[J/gK]

Tabelul 5.2. Valorile căldurii specifice a laminelor pe intervalul 30-149°C, c[J/gK]

Tabelul 5.3. Valorile căldurii specifice a laminelor pe intervalul 30-149°C, c[J/gK]

4.2 Coeficientul de dilatare termică

5. Analiza conductivității electrice a materialelor

compozite armate cu țesături și matrice epoxidică.

5.1. Metoda experimentală de determinare a conductivității electrice a materialelor compozite.

Conductivitatea electrică este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui material de a permite  transportul sarcinilor electrice atunci cînd este plasat într-un cîmp electric. Simbolul folosit pentru această mărime este de obicei σ (litera grecească sigma), iar  unitatea de măsură este siemens pe metru (S·m−1). Mărimea inversă conductivității este rezistivitatea electrică, cu simbolul ρ (litera grecească ro ) și unitatea de măsură ohm metru (Ω·m). https://ro.wikipedia.org/wiki/Conductivitate_electrică

Studii recente au raportat că există numeroși factori care pot afecta conductivitatea electrică a compozitului polimeric, cum ar fi distribuția de umplere, forma și mărimea, raportul de aspect, conductivitate de umplere și interacțiune cu matricea, natura matricei polimerice, higroscopicitate, forma, orientarea, energia de suprafață și tehnică de prelucrare. Nabilah Afiqah Mohd Radzuan, Abu Bakar Sulong, Jaafar Sahari, A review of electrical conductivity models for conductive polymer composite, International Journal of Hydrogen Energy, volum 41, 2016

Este posibilă creșterea conductivității a unui compozit prin creșterea fracției de volum a șarjelor conductive în matrice izolator pentru diferite forme de adaos, sau de studiu asupra formei de umplutură, raportul de aspect sau orientarea fibrelor. Reza Taherian, Experimental and analytical model for the electrical conductivity of polymer-based nanocomposites, Composites Science and Technology, Volume 123, 2016, Pages 17–31

O mulțime de modele de conductivitate au fost propuse pentru a se asigura că datele să se obțină exacte, minimizând astfel experimentul realizat prin prezicerea conductivității electrice a materialului compozit polimeric. In anul 1995, Lux a descris în detaliu patru clase principale de modele de conductivitate electrică care se găsesc mai ales în literatura de specialitate și anume statistică, termodinamica, geometrice și modele structurate orientate. Nabilah Afiqah Mohd Radzuan, Abu Bakar Sulong, Jaafar Sahari, A review of electrical conductivity models for conductive polymer composite, International Journal of Hydrogen Energy, volum 41, 2016,

Compozite polimerice conductive, constau dintr- o matrice polimerică izolatoare și o umplutură conductoare, cum ar fi negru de fum, nanotuburi de carbon și fibre de carbon, ele au atras atenția în aplicații, cum ar fi disiparea electrostatică, auto-încălzire materialelor și frecvență electromagnetică. Yamin Pan, Xianhu Liu, Xiaoqiong Hao, Zdeněk Starý, Dirk W. Schubert, Enhancing the electrical conductivity of carbon black-filled immiscible polymer blends by tuning the morphology, European Polymer Journal, Volume 78, 2016, Pages 106–115

Deoarece materialele compozite armate cu țesături sunt utilizate în domeniul construcțiilor de aeronave, unde proprietăților electrice ale acestor tipuri de materiale sunt importante, a fost evaluată conductivitatea electrică materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică. Marina SCHIȚANU(BUNEA), Contribuții la studiul solicitărilor la impact ale compozitelor cu matrice epoxidică armate cu țesături (teză de doctorat), Galați, 2015

Măsurarea rezistenței electrice s-a realizat cu ajutorul dispozitivului TeraOhmMetru Metrel, model MI2077 (figura 13) prin metoda măsurării în două puncte. Aceasta constă în aplicarea unei diferențe de potențial între două puncte ale materialului și măsurarea intensității curentului ce se stabilește între cele două puncte. Determinările se bazează pe identitățile:

Unde: ρ este rezistivitatea electrică a materialului, U este diferența de potențial aplicată între cele două puncte, iar I este intensitatea măsurată a curentului între cele două puncte. Iulia GRAUR, Studiul proprietăților mecanice ale materialelor epoxidice aditivate cu substanțe ionice prin strategii de dispersie bazate pe utilizarea ultrasunetelor amidon (teză de doctorat), Galați, 2015

Pentru evaluarea conductivității electrice a materialelor compozite au fost utilizate probe cu dimensiunile 120×110 mm, efectuându-se măsurători la unghiuri de 0ș, 90ș și 45ș față de urzeala țesăturii. Toate testele de conductivitate electrică au fost efectuate pe câte cinci epruvete din același material și fiecare epruvetă a fost supusă testării de cinci ori.

Figura 13. Măsurarea rezistenței electrice cu ajutorul dispozitivului TerraOhmMeter.

5.2. Conductivitatea electrică a materialelor compozite armată cu țesături, orientarea fibrelor la diverse unghiuri cu rășini epoxidică EPIPHEN RE 4020, HT2, C.

Proprietățile electrice și electromagnetice ale compozitelor se referă, în primul rând, la conductivitatea electrică a acestora și, în al doilea rând, la permitivitatea electrică și permeabilitatea magnetică ale acestora. În primul caz conductivitatea electrică, scăzută în cazul polimerilor, este unul dintre marile dezavantaje ale compozitelor polimerice și o piedică în calea extinderii utilizării acestora. Fiind izolatoare (conductivitate electrică extrem de scăzută) aceste materiale nu pot fi utilizate pentru aplicații în care sunt expuse riscului încărcării electrostatice, deoarece descărcările electrice (imposibil de controlat) pot conduce la accidente cu efecte dezastruoase, mai ales în cazul aplicațiilor în industria aeronautică. Bria, V., Contribuții la studiul proprietăților mecanice ale materialelor compozite armate cu țesături și matrice epoxidică aditivată cu amidon (teză de doctorat), Galați, 2012.

Dacă vorbim de proprietățile electrice ale polimerilor cu matrice epoxidică ne referim la conductivitatea electrică a acestora care este foarte scăzută, iar acest aspect prezintă un mare dezavantaj pentru extinderea utilizării lor. De aceea, cercetătorii fac eforturi considerabile pentru a mări conductivitatea electrică a acestora pe diferite căi. Proprietățile electrice ale materialelor compozite polimerice depind de metoda de preparare și de stabilirea tipului de aditiv utilizat. Dimensiunile și forma finală a materialului format sunt importante pentru a se putea realiza testele electrice. De aceea, la procesul de formare trebuie să se țină cont de dimensiunile și forma matriței astfel încât să se poată realiza aceste teste. Iulia GRAUR, Studiul proprietăților mecanice ale materialelor epoxidice aditivate cu substanțe ionice prin strategii de dispersie bazate pe utilizarea ultrasunetelor amidon (teză de doctorat), Galați, 2015

În tabelele 26, 27 și 28 sunt prezentate rezultatele referitoare pentru conductivitatea electrică a laminelor cu rășină E la unghiu-rile 0ș, 90ș și 45ș a față de urzeală. Analizând valorile conductivității electrice a laminelor armate cu țesături și orientarea fibrelor la 0°, 90°, 45° cu toate tipurile de rășină E, C, HT2 reprezentate în tabele, se poate observa că, în general, toate materialele compozite armate cu țesătură din carbon au prezentat o conductivitate electrică mai ridicată comparativ cu celelalte materiale compozite și matrice epoxidice.

Utilizarea diferitor tipuri de rășini epoxidice în combinație cu țesături, nu au îmbunătățit proprietățile electrice ale matricei epoxidice, astfel încât conductivitatea electrică a celor trei tipuri de rășini prezintă valori similare pentru conductivitatea electrică.

Din valorile reprezentate în tabele pentru conductivitatea electrică se observă că orientarea fibrelor la diverse unghiuri nu afectează conductivitatea electrică a materialelor compozite armate cu țesături.

Proprietăți mecanice ale laminelor și laminatelor

6.1 Încercarea la tracțiune a laminelor

Încercarea la tracțiune este una dintre cele mai importante proprietăți mecanice, deoarece stabilirea proprietăților de întindere a compozitelor reprezintă un interes deosebit.

Testele efectuate asupra laminelor sunt necesare pentru determinarea proprietăților mecanice ale acestora în vederea utilizării lor la luarea deciziilor corecte în disignul compozitelor laminate. Proprietățile vizate la testarea laminelor sunt:

modulul de elasticitate longitudinal și transversal;

coeficienții Poisson;

rezistența la tracțiune longitudinală și transversală.

Pentru obținerea unor rezultate corecte, trebuie să se țină seama de o serie de factori care influențează în mod direct rezistența la tracțiune, și anume: forma și dimensiunea epruvetei, viteza și temperatura de lucru. Tehnica de testare a materialelor compozite polimerice este: epruveta (fig. 27) este alungită în lungul axei sale principale cu o viteză constantă, până la rupere sau până când tensiunea (sarcina) sau deformarea (alungirea) atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării sunt măsurate sarcina (forța) suportată de către epruvetă și alungirea ei. (Ioan CURTU, Anca-Elena STANCIU, Determinarea caracteristicilor mecanice ale epruvetelor realizate din material compozit de tip mat&roving, Buletinul AGIR nr. 1, pp. 76-81, ianuarie-martie, 2011)

În timpul desfășurării testului sunt urmărite:

viteza de testare – viteza de separare a gripurilor mașinii de testare (mm/min);

efortul teoretic – forța pe unitatea de arie a zonei de angajare, la orice moment de timp (MPa);

efortul de curgere – prima valoarea a efortului pentru care apare o alungire fără creșterea efortului (MPa);

efortul la rupere – efortul în momentul în care se fracturează proba (MPa);

rezistența la rupere – valoarea maximă a efortului suportat de o probă în timpul testului (MPa);

efortul la deformare – valoarea efortului la care deformarea atinge o valoare specificată în procente (MPa);

deformația la tracțiune – creșterea în lungime pe unitatea de lungime de angajare inițială, mărime adimensională, ;

deformația la curgere – deformația materialului corespunzătoare efortului la curgere, mărime adimensională, ;

deformația la rupere – deformația corespunzătoare efortului de rupere, mărime adimensională, ;

modulul de elasticitate – modulul Young (MPa);

coeficientul Poisson.Cîrciumaru A., Caracterizarea și testarea materialelor compozite cu matrice polimerică (ghid pentru lucrări practice),Editura Europlus, Galați 2013, ISBN 978-606-628-058-7

Figura 27. Epruveta pentru teste de tracțiune Cîrciumaru A., Caracterizarea și testarea materialelor compozite cu matrice polimerică (ghid pentru lucrări practice),Editura Europlus, Galați 2013, ISBN 978-606-628-058-7.

Pentru analiza modului în care proprietățile unei lamine armate cu țesătură, se modifică în funcție de direcția de aplicare a eforturilor, au fost supuse teste de tracțiune, cîte 10 epruvete, având înclinări ale urzelii față de direcția de aplicare a încărcării la 0°, 90°, și cite 5 epruvete pentru orientarea firelor la 30° și 45°. Probele de formă dreptunghiulară, cu dimensiuni de 25 mm x 250 mm au fost tăiate cu ajutorul unui foarfece.

Laminele formate în acest studiu au grosimi cuprinse între 0.08-0.49 mm. Viteza de deplasare a bacurilor a fost setată pentru valoarea constantă de 5 mm/min. Forța [N] se aplica asupra epruvetei generând o deformare si o tensiune în proba, ce poate duce la rupere. Ruperea are loc când se atinge o valoare critica a efortului, datorata aplicarii:

forța de mare intensitate;

forța cu viteza mare;

forța relativ mica, dar timp îndelungat.

Testele de tracțiune au fost realizate folosind mașina Instron de testare (figura X) în conformitate cu standardul ISO 527 valorile epruvetelor sunt realizate direct pe mașinile de testare cu software-uri (figura X) dedicate în timpul desfășurării testelor.

Media celor 10 si respectiv 5 epruvete a curbele încărcare-timp, reprezintă valorile finale încercărilor mecanice la tracțiune a laminelor armate cu țesături prezentate in graficele de mai jos.

Pe baza testelor realizate experimental pentru a determina proprietățile mecanice și în special raportul între forță și deplasare s-a constatat că există diferențe între valorile rezultate pentru fiecare țesătura și rășină în parte, variind datorită diferențelor țesăturii sau matricei ale epruvetelor, chiar daca este utilizată aceeași țesătură rezultă că matricea este utilizată alta și invers.

În urma testelor efectuate a celor 57 materialele compozite armate cu țesături si rășini diferite, am constat că, cele mai bune proprietăți a forței de încărcare o prezintă materialelor compozite armate cu țesătură din fibre Carbon comparativ cu materialele compozite armate cu țesătură din fibre de sticlă, aramid și mixte si anume CarbonTextrem cu densitatea 160, Carbon cu densitatea 160 și Carbon- cu densitatea 240, cu tote cele 3 tipuri de rășini.

Din punct de vedere al orientării fibrelor în lamine cele mai ridicate valori, se observă din figurile de mai sus cu curbele incarcare-timp a încercări mecanice la tracțiune a laminelor armate cu țesătură prezintă laminele cu orientarea fibrelor la 0° și 90°.

Epruvetele pentru lamine sunt încărcate până la rupere iar datele sunt înregistrate în permanență. În prezent aceste date sunt făcute direct pe mașinile de testare cu software-uri dedicate în timpul desfășurării testelor. Determinarea unor parametri ai laminelor se face prin analizarea curbelor încărcare – alungire, sau a datelor înregistrate de soft.

6.1.1 Modulul de elasticitate la tracțiune al laminelor

Pentru descrierea proprietăților unui material lamină format este necesar și parametrul modulul de elasticitate.

În figurile de mai jos sunt prezentate valorile modulul de elasticitate ale laminelor armate cu țesături pe care aplicația software-ul mașinii de testare le funizează la cererea operatorului.

Coeficientul Poisson al laminelor

Când epruveta este supusă tracțiunii pe direcția aceasta suferă contracții de-a lungul celorlalte două direcții, date de relații de tipul în care se numește coeficient Poisson al materialului iar semnul minus indică faptul că este vorba de o contracție. Cîrciumaru A., Caracterizarea și testarea materialelor compozite cu matrice polimerică (ghid pentru lucrări practice),Editura Europlus, Galați 2013, ISBN 978-606-628-058-7 Contracția transversală este proporțională cu lungirea specifică, coeficientul de proporționalitate se notează cu ν și se numește coeficient de contracție transversală sau coeficientul lui Poisson. Pavel Tripa, Rezistența materialelor, Editura MIRTON, Timișoara,1999, manual

În graficele de mai jos sunt prezentate valorile coeficienților Poisson pentru laminele armate cu țesături la testele de tracțiune statică, și anume coeficientul Poisson νxy când efortul este aplicat pe direcția x, coeficientul Poisson νyx când efortul este aplicat pe direcția y.

6.2 Tractiune statica laminate

Materialele testate și analizate în capitolul de față sunt 16 laminate compozite formate din 9 straturi, și orientarea fibrelor din țesătura utilizată sunt la 0°, 90°, 30°, 45°. Matricea utilizată pentru materialul compozit face parte din clasa rășinilor epoxidice EPIPHEN 4020, rășină bicomponentă, cu timp de polimerizare de 24 ore.

Pentru a testa materialul compozit laminat format din punct de vedere mecanic, și a-l utiliza în industrie, este nevoie de determinarea proprietăților laminelor la diferite unghiuri de acționare a forței aplicate.

În capitolul X este prezentat analiza comportamentului la tracțiune statica a unui strat dintr-un laminat ceea ce a dus la stabilirea parametrii de testare la tracțiune a întregului compozit, și s-au evidențiat și avantajele utilizării anumitor tipuri de fibre, cu anumite proprietăți mecanice. Acestea a dus l-a analiza detaliata a procedurii de testare (conform standardului de testare ISO 527), a ajutat la scurtarea timpului necesar testării și finalizării întregului ansamblu ceea ce stă la baza unor îmbunătățiri a setului de proprietăți și în studiul laminatelor armate cu țesături,.

Analiza caracteristicelor mecanice ale laminelor s-a efectuat pentru fiecare tip de țesătură în parte. Rezultatele obținute sunt utile pentru stabilirea criteriilor de testarea a laminatelor la tracțiune.

Pentru a caracteriza mecanic un laminat armat cu țesătură, s-au format laminate cu aceeași arhitectura din punct de vedere al țesăturii și matricei dar cu diferite unghiuri. Unghiurile alese și parametrii de testare au fost selectați similar ca în cazul laminelor armate cu țesătură.

După efectuarea testelor de tracțiune au fost folosite datele furnizate de aplicația mașinii de testare la tracțiune. Rezultatele finale prezentate sunt mediile aritmetice ale valorilor obținute pentru un set de 5 încercări pe epruvete obținute din același material, cu condiții identice de testare. Rezultatele obținute în urma testelor sunt prezentate în graficele din figurile de mai jos. În urma testelor de tracțiune efectuate pe laminatele armate cu țesătura, s-au extras rezultate utile în evaluarea comportării mecanice a compozitului și trebuie menționat faptul că laminatele au fost testate până la rupere. În figura X este prezentată o epruvetă înainte și după testarea la tracțiune static.

Următoarele grafice vor prezenta o variație a valorilor proprietăților mecanice la tracțiune statica a materialelor compozite în funcție de unghiul de testare a fibrelor din țesătura utilizată în laminate.

Prin examinarea curbelor încărcare-alungire prezentate în graficele din figurile de mai sus se poate observa că cu cât forța de încărcare are valori mai ridicate a materialelor compozite, se măresc și valorile de alungire ale acestora.

Valorile diferite ale laminatelor se datorează țesăturii utilizate în compozit și deprinderii treptate a firelor din matrice, de asemenea și orientarea fibrelor duce la obținerea unui decalaj de valori. Această tendință este observată pentru toate materialele armate cu țesături.

În graficele de mai sus se poate constata că există mici variații între valorile parametrilor analizați, de la o arhitectură a armăturii la alta, și anume laminatele armate cu țesături a căror fibre sunt la 0o și 90o au mici variații, la fel ca și materialele compozite armate cu fibre a căror orientare este 30o și 45o.

Valorile mai mici ale forței de încărcare le au laminatele armate cu țesăuri, orienatrea fibrelor la 30o și 45o, indiferent de tipul țesăturii utilizate.

Din punct de vedere constructiv laminele cu unghiurile 0o și 90o au forța de încărcare mai mare, din cauza orientării fibrelor în laminat, matricea având o influență mai mică asupra variației forței longitudinale. Unghiul țesăturii inserate în compozit influențează semnificativ proprietățile mecanice ale materialului.

Caracteristicele mecanice obținute în urma testelor la tracțiune pentru materiale compozite formate au avut valori diferite și pentru parametru de alungire, din graficele figurilor la tracțiune ale laminatelor se observă o grupare a rezultatelor obținute pentru epruvetele cu unghiurile de 30o, 45o și 0o și 90o au mici variații , indiferent de țesătura utilizată. Valorile experimentale obținute în urma testelor de tracțiune pentru laminate au o variație mică, indiferent de tipul țesăturii și de tipul fibrelor utilizate. Această grupare este datorată rigidității materialelor utilizate pentru formarea compozitului. De asemenea, la testarea cu unghiurile (0° și 90°), rearanjarea structurii țesăturii este similară și duce la un comportament mecanic similar, indiferent de tipul țesăturii. Apariția rezultatelor similare pentru toate tipurile de laminatee cu unghiurile menționate mai sus se datorează interfeței dintre fibră și matrice.

Din punct de vedere al tipului de țesătura ale materialelor compozite polimerice și din analiza parametrilor la tracțiune a materialelor compozite armate cu țesături, rezultă că cele mai mari valori de încărcare le are laminatele armate cu țesături din carbon, valorile evaluate sunt, în mod evident, superioare valorilor celorlalte tipuri de țesături testate, care aparent au rezistență mare la rupere, independent de arhitectură.

În majoritatea graficelorl din figururile de mai sus, s-a observat un comportament uniform și stabil, din punct de vedere mecanic, până la cedarea materialului.

O altă caracteristică impotantă în analiza a proprietăților mecanice a unui material compozit armat cu fibre este delaminarea.

Delaminare este pur și simplu, definit ca fiind principala formă de eșec al materialelor compozite stratificate. Delaminare uneori formează ca o fisură între straturile adiacente; ea apare adesea între două materiale anizotrope și eterogene ca o fisură de interfață. În plus, aceasta are loc sub o încărcare de întindere, încovoiere, dar ea crește în mare parte , în condiții critice de compresie și de oboseală [1] S. Sridharan,Delamination Behaviour of Composites, (first ed.)Woodhead Publishing Limited, Cambridge England (2008), pp. 1–788

Delaminarea la rupere ale materialelor formate au o variație diferită, în funcție de tipul țesăturii, orientarea unghiul din fibra țesăturii.

6.2.1 Modulul de elasticitate al laminatelor

Panta curbei efort-deformare, evaluată în vecinătatea originii, este numită modul de elasticitate și este o măsură a rigidității materialului. Cîrciumaru A., Caracterizarea și *testarea materialelor compozite cu matrice polimerică (ghid pentru lucrări practice),Editura Europlus, Galați 2013, ISBN 978-606-628-058-7

În diagramele următoare (figurile 76, 77, 78) sunt redate valorile modulelor de elasticitate testate la tracțiune statică ale laminatelor armate cu țesături cu direcția fibrelor la cele patru unghiuri menționate mai sus, și se poate observa faptul că toate materialele armate prezintă o variație de valori în dependență de tipul și unghiul fibrelor din țesătură utilizat, rășina fiind aceeași pentru toate laminatele formate.

În prezent aceste valori sunt date direct de pe mașinile de testare cu software-uri dedicate în timpul desfășurării testelor. Pentru obținerea unor rezultate corecte, s-au realizat cite 5 teste ale fiecărui tip de laminat.

6.2.2 Coeficientul Poisson al laminatelor

În figurile 6.47 sunt prezentate valorile coeficienților Poisson ai laminatelor, coeficientul Poisson νxy când efortul este aplicat pe direcția x, coeficientul Poisson νyx când efortul este aplicat pe direcția y.

6.3 Tractiune dinamica laminate

Rezistența la oboseală este cel mai ridicat nivel amplitudinal sau/și numeric de solicitări ciclice dinamice la care rezistă o probă materială, în condiții convenționale cunoscute, fără ca să apară (survină) deteriorări/distrugeri considerate neacceptabile pentru calitatea materialului în cauză. Deteriorările care pot surveni sunt provocate de oboseala fizică creată prin repetarea aceluiași fel de solicitare.

https://ro.wikipedia.org/wiki/Rezisten%C8%9B%C4%83_la_oboseal%C4%83

Comparativ cu solicitările statice, solicitările variabile repetate de un număr mare de ori, au un efect nefavorabil asupra capacității de rezistență a materialului din care sunt confecționate elementele de rezistență. Așa au apărut ruperi neașteptate la multe organe de mașini cum ar fi: arbori cotiți, roți dințate, bolțuri de piston, arcuri de supapă etc, cu toate că din punct de vedere al rezistenței materialelor au fost calculate corect. Ruperile au avut loc la valori mult mai mici ale tensiunii corespunzătoare stărilor limită pentru solicitarea statică. Acest fenomen de rupere prematură, la tensiuni sub cele limită, este cunoscut sub numele de oboseala materialelor. Pavel Tripa, Rezistența materialelor, Editura MIRTON, Timișoara, 2001, manual

Fenomenul de micșorare a caracteristicilor de rezistență sub efectul solicitărilor variabile, poartă numele de oboseala materialului. Caracteristica mecanică a materialului la solicitări variabile este rezistența la oboseală. Simbolurile pentru rezistențele la oboseală au ca indici valorile coeficientului de asimetrie al ciclului și se notează astfel:

σ-1t – rezistența la oboseală pentru ciclul alternant simetric de tracțiune-compresiune PAVEL TRIPA, MIHAI HLUȘCU, REZISTENȚA MATERIALELOR NOȚIUNI FUNDAMENTALE ȘI APLICAȚII, Editura MIRTON, Timișoara 2007 manual

În urma testelor efectuate și analizate atît pentru lamine cît și pentru laminate, au fost stabilite etapele și parametri de testare a materialelor compozite laminate la proprietatea mecanică – tracțiune dinamică. Etapele de testare la tracțiune dinamică a laminatelora u fost realizate în 3 pași importanți, așa cum este prezentat și în figura 4.1:

Pasul 1 se testează pînă cind forța de încărcare ajunge la jumătate din media valorii forțelor stabilită la tracțiunea statică a laminatelor cu aceeași arhitectură, setăndu-se pentru fiecare laminat valoare corespunzătoare tipului de laminat;

Pasul 2 constă în parcurgerea a celor 1000 de cicluri, și iarăși cu parametri corespunzătoare laminatului, viteza setată pentru fiecare tip de laminat și fiecare unghi a laminatelor; în timpul unui ciclu de solicitare, tensiunea variaza intre o valoare maxima si una minima – ele constituind valorile extreme ale ciclului de solicitare. Cu cât tensiunea maximă din piesă este mai mare, cu atât ruperea prin oboseală are loc la un număr mai mic de cicluri. Dacă tensiunea are valori mici, nu se mai produce ruperea prin oboseală oricât de multe cicluri de solicitare ar exista în piesă. Pavel Tripa, Rezistența materialelor, Editura MIRTON, Timișoara, 2001, manual

Pasul 3 se efectuează testele pînă cind cedează materialul adică pînă la rupere.

Figura 4.1. Etapele de testare la tracțiune dinamică a laminatelor.

Pentru testarea la tracțiune dinamică sa utilizat aceeași arhitectura a materialul compozit laminat dar alte epruvete, netestate anterior.

Încercările la tracțiune dinamică au fost efectuate conform standardului de testare ISO 527, pe epruvete dreptunghiulare (250×25 mm) așa cum este prezentat în figura 4.1.

Figura 4.1. Forma și dimensiunile epruvetei utilizate pentru testele de tracțiune dinamică .

Încercările mecanice la tracțiune statică cît și dinamică ale materialelor compozite lamine și laminate formate s-au realizat pe mașina de încercări mecanice model INSTRON 8030. Determinarea parametrilor materialelor compozite testate a fost posibilă cu ajutorul soft-ului Bluehill 3. Parametrii de testare sunt modificați pentru fiecare laminat aparte deoare fiecare laminat are proprietati mecanice diferite.

Experiența a condus la constatarea că materialele rezistă la solicitări variabile mai puțin decât la solicitări statice. PAVEL TRIPA, MIHAI HLUȘCU, REZISTENȚA MATERIALELOR NOȚIUNI FUNDAMENTALE ȘI APLICAȚII, Editura MIRTON, Timișoara 2007 manual

În continuare sunt prezentate curbele forța de încărcare – alungire pentru pasul 3, după ce este obosit materialul, pentru laminatele armate cu țesături și matrice epoxidice. Valorile prezentate sunt mediile a cinci epruvete la testele efectuate în aceleași condiții. Rezultatele obținute în urma testelor sunt prezentate în diagramele din figurile de mai jos.

Analiza caracteristicelor mecanice ale materialelor compozite lamine și laminate s-a efectuat pentru fiecare tip de țesătură în parte. Rezultatele obțnute sunt utile pentru comparația laminelor și laminatelor formate din aceleași tipuri de țesături sau din țesături mixte.

În vederea realizării încercărilor mecanice la tracțiune dinamică a laminatelor armate cu țesături s-a utilizat aceeași mașină de încercări la proprietăți mecanice ca și în cazul testelor la tracțiune statică pentru lamine și laminate.

Un experiment realizat în scopul caracterizării unui proces de oboseală implică deformarea ciclică a epruvetelor. Parametrii mecanici care trebuie măsurați depind de tipul experimentului și cerințele care le solicită utilizatorul. Degradarea prin oboseala se cumulează odată cu creșterea numărului de cicli de solicitare.

Pe fiecare curbă de evoluție a încărcării-alungire se pot observa că este o curbă liniară în creștere pînă la apariția primelor fisurări în epruvetă. După apariția primelor fisurări în epruvete se constată o scădere a valorilor de încărcare. În cazul solicitărilor de oboseală, starea suprafeței laminatului este o caracteristică importantă în ceea ce privește rezistența la oboseală a laminatelor, deoarece procesul de fisurare începe de la suprafață materialului. Procesul de initiere si de propagare a uneia sau mai multor fisuri, care conduce la ruperea elementelor de rezistenta, se numește oboseală.

Curbele de durabilitate la oboseală a laminatelor armate cu țesături și rășină epoxidică de tip E, prezentate în graficele din figururile de mai sus, se remarcă faptul că durabilitatea la oboseală a epruvetelor cu orientarea fibrelor la 0° și 90° au valori mult mai mari în comparație cu laminatele cu orientarea fibrelor la 30° și 45°, acest material are aceeași compoziție ca și a laminatului cu orientarea fibrelor la 0° și 90°. Încercările experimentale au demonstrat faptul că, în cazul epruvetelor la 30° și 45, ruperea finală a epruvetei se produce mai tîrziu dar forța de încărcare este mai mică. Durata de viață la oboseală a epruvetelor cu orientarea fibrelor la 30° și 45° a fost mult mai mare decât cea a specimenului cu orientarea fibrelor la 0° și 90°.

Din înregistrările prezentate mai sus se remarcă faptul că odată cu creșterea valorilor încărcării epruvetelor se manifestă o deplasare mai mare a alungirii, viteza deplasării fiind constantă.

În ceea ce privește forța de încărcare a laminatelor testate la tracțiune dinamică ce era și de așteptat că cele mai mari valori se observă în cazul laminatelor armate cu fibre de carbon iar, cele mai mici valori să fie atinse pentru laminatele armate cu fibre de sticlă.