Testarea Epruvetelor din Fibra de Carbon

In functie de tipul solicitarii, ruptura unei structuri din fibra de carbon poate surveni in diferite moduri:

• Ruptura fibrelor (fiber fracture) – apare in momentul in care asupra laminatului actioneaza o forta de intindere sau compresiune pe directia principala a laminatului

• Ruptura intre fibre (inter-fiber fracture) – reprezinta o fisura in matrice sau la interfata dintre fibra si matrice, paralela cu fibrele ce apare in urma unei solicitari de intindere sau compresiune perpendiculare pe directia principala a fibrleor

• Delaminarea – reprezinta o rupura intre straturi unui laminat ca urmare a unei solicitari de forfecare in plan a unei structuri sau a unei solicitari de intindere perpendiculara pe planul de asezare fibrelor

Pentru a evidentia diferite tipuri de cedari ale unui laminat, se pot realiza diferite tipuri de experimente.

Epruvetele pot fi realizate din tesaturi de tip prepreg.

Prepregurile reprezinta tesaturi de carbon preimpregnate cu resina, ce va forma dupa polimerizare matricea. Deoarece rasina se poate activa inca de la temperatura camerei, aceste materiale necesita stocarea lor in conditii speciale, in camere frigorifice pana in momentul in care vor fi folosite.

Grosimea unui singur strat de prepreg variaza de obicei intre 0.125 su 0.25 mm. Pentru a forma laminatul, se taie fasii de material si se aseaza una peste alta, o atentie deosebita acordandu-se orientarii fibrelor.  O deviatie de cateva grade a orientarii fibrelor poate schimba semnificativ rezultatele testelor.

Deoarece manipularea unor bucati mici de material poate fi problematica, se prefera fabricarea unui placi din compozit din care sa se decupeze ulterior geometria epruvetelor.

Odata terminata asezarea straturilor, laminatul se pregateste pentru polimerizare cu ajutorul autoclavei.

Autoclava reprezinta un cuptor in care atat temperatura cat si presiunea pot fi controlate. Procesul de polimerizare se realizaeaza de obicei la temperaturi intre 120°C si 170°C si presiune intre 4 si 8 atm. In figura de mai jos este pezentat un exeplu de ciclu de polimerizare.

In acelasi timp, aerul dintre straturile de material trebuie indepartat.  Acest lucru se realizeaza cu ajutorul unui instalatii de vidare. Schema instalatiei este prezentate in figura de mai jos.

Figura alaturata prezinta schematic modul de functionare a autoclavei.

Taierea epruvetelor se poate realiza cu freze cu cap diamantat sau cu o instalatie de taiere cu jet de apa.

Daca se utilizeaza freza cu cap dimantat, o atentie sporita trebuie acordata vitezei de inaitare a sculei. Daca viteza este mica, materalul se poate incarzi local, existand posibilitatea degradarii structurii. Daca viteza este insa mare, fibrele se pot smulge din matrice, aparand delaminarea.

Pentru a evita strivirea materialului in bacurile de prindere ale masinii de testare, este necesara lipirea pe epruvete a unor bucati aditionale de material, numite tab-uri.

Aceste se pot realiza din fibra de sticla sau din aluminiu. Lipirea lor se face folosind un adeziv cu o buna rezistenta la forfecare in plan pentru a evita dezlipirea taburilor in timpul incercarilor.

Daca taburile sunt facute din fibra de stical, se recomanda ca taburile sa se lipeasca pe placa de compozit si abia apoi sa se taie specimenele. Astfel, alinierea cat si manipularea lor se realizeaza mult mai usor. In cazul in care acestea sunt realizate din metal, lipirea lor va trebui facuta individual, pe fiecare specimen in parte.

Inainte de lipirea tabu-urilor, suprafata trebuie asperizata folosid hartie abraziva si apoi degresata pentru a elimina orice impuritate.

Teste de tractiune

Procedura de testare precum si geometria epruvetelor supuse la intindere este prezentata in standarde precum ASTM 3039 sau ISO 527.

Pentru a evidentia ruperea fibrelor dintr-un material compozit, se folosesc epruvete de tipul celor din figura de mai jos, cu orientarea fibrelor in paralele cu directia pe care se realizeaza soliitarea.

a). ASTM 3039 c).ISO 527

Pentru a evidentia cedarea matricei, urmatoarele geometri de epruvete sunt folosite cu fibrele orientate la 90 gr fata de directia solicitarii.

(a)   ASTM 3039  (b) ISO 527

Rezultatele testelor de tractiune apar sub forma curbelor rezistenta-deformatie de forma celei de mai jos.

Se observa o zona intiala plastica foarte scurta ce poate fi pusa pe seama unei miscari a epruvetei in bacurile de prindere, urmata de curba propriu-zisa din care se poate extrage modulul de elasticitate al materilului.

Punctul C corespunde punctului de rupere a primului strat de material sau a matricei. Cedare initiala (C) nu este echivalenta cu cedarea intregii structuri (D), in cazul nostru al epruvetei,    celelalte straturi fiind suficient de rezistente pentru a prelua solicitarea.

Teste de compresiune

Acest tip de test evidentiaza de asemenea o cedare a fibrelor de tipul celor exemplificate in figura urmatoare.

Trebuie mentional faptul ca cedarea structurii prin flambaj nu este considerata un test de compresiune valid si trebuie evitat.  De aceea se foloseste o instalatie speciala care sa impiedice acest mod ce cedare.

Testele de forfecare

Una dintre cele mai utilizate metode de testare a epruvetelor la forfecare este metoda Iosipescu. Aceasta metoda a fost folosita pentru prima data in studiul melalolor si introdusa in standardul ASTM sub numarul 5379 in anul 1993.

Aceasta metoda presupuna realizarea unei epruvete tipul celei din figura alaturata.

Cu ajutorul instalatiei de mai jos, forta de compresiune apicata de masina pe o singura componanta a acestea, este transformata in forata taietoare ce actioneaza asupra epruvetei.

Ca si in cazul testelor de intindere rezultatele testelor de forfecare se obtin sub forma unor curbe caracteristice, un exemplu fiind prezentat in graficul urmator.

(a)   90°   (b) 0°

Se poate observa ca epruvete cu fibrele orientate la 90° cedeaza cu mult inaintea celor orientate la 0°, deoarece in primul caz matricea este cea care cedeaza si nu fibra, fisura fiind una interlaminara.

Delaminarea

Modul de cedare interlaminar (delaminarea) este foarte important deoarece se cunoaste ca materialele laminate au o rezistenta scazuta la solicitari perpendiculare pe planul de asezare al fibrelor.

Delaminarea

Foto: compozite.net

Unul dintre cele mai folosite teste pentru a pune in evidentia delaminarea poarta denumirea de DCB.  Epruvetete pentru acest tip de test sunt de tip bara si a fost dezvoltate pentru materiale unidirectionale.

Epruvetele sunt realizate asemanator cu cele petru intindere, cu deosebirea ca, la unul din capete in planul de simetrie se introduce o bucata de material care sa faciliteze pornirea unei fisuri in lungul acestui plan.

Lungimea lor trebuie sa fie de cel putin 125 mm, latime cuprinsa intre 20 si 25 mm, iar grosimea de 3 pana la 5 mm.

Dupa lipirea taburilor speciale specimenul se prinde in masina de forta. Lunginea initiala a fisurii se masoara de la punctul de aplicare al fortei pana la varful fisurii. Aceasta lungime trebuie sa fie de aproximativ 50 mm.

Pentru a ajuta la masurarea vitezei de propagare a fisurii, se traseaza linii subtiri verticale la fiecare milimentru de la varful acesteia.

In urma testelor, se observa o crestere a fortei de tractiune pana in momentul in care fisura incepe sa se propage.

Bibliogafie:

1. J.M. Hodgkinson – „ Mechanical testing of advanced fibre composites”, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, England
2. Donald F. Adams – „Experimental Characterization of Advanced Composite Materials”, CRC Press

Florin STUPARU