MTA-BME Kutatócsoport






Nagy teljesítményű károsodást tűrő, jelző hibrid kompozitok kifejlesztése

Pályázati azonosító:
NKFIH PD 121121
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2016. október 1. - 2019. szeptember 30.
Témavezető (BME):
Dr. Czél Gergely

Pályázat összefoglalója

A 21. század járműiparának egyik legnagyobb kihívása az EU stratégiai céljaival egyetértésben az üzemanyag fogyasztás és a káros anyag kibocsátás csökkentése, amely például a járművek saját tömegének csökkentésével érhető el. A járművek új, gazdaságos és környezetkímélő generációjának kifejlesztéséhez nagy szilárdságú és kis tömegű alkatrészekre van szükség. A szálakból és hőre nem lágyuló műgyantákból készült úgynevezett kompozit anyagok nagy szilárdságúak, de általában katasztrófaszerűen mennek tönkre, előzetes figyelmeztetés nélkül. Az elégtelen károsodás tűrés alkalmatlanná teszi őket olyan felhasználási területeken, ahol a terhelések kiszámíthatatlanok és a hirtelen tönkremenetel elfogadhatatlan. A pályázó a kompozitok biztonságos, fokozatos tönkremenetelt és a tönkremenetel előtt figyelmeztetést biztosító új generációjának kifejlesztését tűzte ki célul. A kutatás során alkalmazni kívánt módszer az erősítő szálak típusainak keverése (hibridizálás), illetve a kompozitok rétegfelépítésének alapos tervezése útján a fémek biztonságos tönkremenetelének utánzása. A károsodást tűrő egy irányban erősített hibrid kompozitok terén elért korábbi sikerek ezen anyagok továbbfejlesztésére ösztönöznek minket, hogy lehetségessé váljon az előnyös viselkedés minden irányban történő kihasználása. A kifejlesztésre és vizsgálatokra váró új anyagok jelentősen szélesíthetik a kompozitok alkalmazási területeit például a járműipar és az építőipar irányába. A kompozitokra jellemző túl óvatos tervezési gyakorlatot is megváltoztathatja a károsodást tűrő kompozitok biztonságosabb tönkremenetele, amely végső soron tömeg és üzemanyag felhasználás csökkenéshez vezethet.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2016. október 1. - 2017. szeptember 30.
Korábban 3 mm körüli vastagságú aszimmetrikus üveg/szénszál erősítésű epoxi mátrixú hibrid próbatesteket terveztünk, amelyeket négy pontos hajlításnak vetettünk alá. Ilyen módon a nyomott oldalon lévő vékony üveg/szénszál hibrid réteget nyomó igénybevételnek tettük ki és vizsgáltuk a károsodási és tönkremeneteli folyamatot. Az új mérési eljárást azért dolgoztuk ki, hogy lehetségessé váljon a tönkremenetel megfigyelése, ami hagyományos nyomóvizsgálat esetén a tipikusan katasztrofális törés miatt általában nem lehetséges. A nyúlásmérést újszerű módon, a próbatest élére felfestett pontok követésével, és a deformált alakra illesztett körív sugarának a mérés során történő számításával végeztük. Egy új tönkremeneteli formát figyeltünk meg, amit eddig nem mutattak be a nemzetközi szakirodalomban: A nagy és ultra-nagy moduluszú szénszálas rétegek stabil töredezést mutattak. Ezt az új tönkremeneteli formát eddig csak húzó terhelés esetén figyelték meg. Az eredmények arra engednek következtetni, hogy a töredezés, mint a szívósság előidézésének kulcsfontosságú módja, nem csak húzó, hanem nyomó igénybevétel esetén is kihasználható. Az üveg/szénszálas hibrid kompozitok nyomó terhelés esetén mutatott viselkedését tovább vizsgáltuk és kísérleteket végeztünk a károsodási és tönkremeneteli módok pontos feltárására. Az aszimmetrikus hajlító próbatesteket egy erre a célra tervezett acélkeretben deformáltuk és optikai illetve pásztázó elektronmikroszkóp alatt figyeltük meg a polírozott élen nyomó terhelés hatására fellépő mikro-deformációkat a nyomott oldali felületen elhelyezkedő üveg/szénszálas hibrid blokkban. Az ultra-nagy moduluszú szénszálas réteg töredezését mikroszkópi képekkel bizonyítottuk. A feltöredezett réteg darabjai további nyomó deformáció hatására a vastagság irányú ferde repedések mentén elcsúsztak, a repedéscsúcsok közelében pedig helyi rétegelválások alakultak ki.
Szénszál erősítésű epoxi réteg nyomó tönkremenetele (töredezés és helyi rétegelválás) elektronmikroszkópos felvételen

2. munkaszakasz
2017. október 1. - 2018. szeptember 30.
Ultra-nagy, nagy –és közepes moduluszú unidirekcionális szénszál erősítésű hibrid kompozitok húzó tulajdonságait vizsgáltuk, a következő lépésben kifejlesztendő bonyolultabb, több irányban erősített szívós kompozitok tervezésének előkészítése céljából. Szívós jellegű tönkremenetelt és lineáris-plató-lineáris típusú feszültség-nyúlás választ sikerült elérnünk a fokozatos károsodás halmozódásnak (a kis nyúlású réteg töredezésének és a stabil rétegelválásnak) köszönhetően, a hagyományos kompozitok tipikus katasztrofális tönkremenetele helyett. Mind az öt próbatest típus kiemelkedően nagy rugalmassági moduluszt és széles feszültség platót mutatott, amit a feszültség további növekedése követett. Mindkét jellegzetesség kihasználható a végső tönkremenetel előrejelzésére. Több irányban erősített ultra-nagy -és közepes moduluszú szénszállal erősített hibrid kompozitokat terveztünk és vizsgáltunk bemetszetlen és bemetszett húzó próbatestek segítségével. A fő cél az volt, hogy áttörést érjünk el a szívós hibrid kompozitok alkalmazhatóságában, mivel a több irányban erősített anyagok széles körű felhasználásra alkalmasak, nem csak egytengelyű terhelés esetén felelnek meg. Az alapanyagokat a korábban unidirekcionális anyagpárokon végzett vizsgálatok eredményei alapján választottuk ki. Mindkét anyagtípus különböző alapanyagokból, de azonos [45/90/-45/0]s rétegrenddel készült bemetszetlen próbatestei szívós viselkedést mutattak a 0 fokban álló hibrid alapegységeken belüli ultra-nagy moduluszú rétegek töredezésének következtében. A szívós fémekéhez hasonló alacsony bemetszés érzékenységet sikerült elérnünk mindkét anyagtípus és bemetszés geometria (furat és éles bemetszés) esetén, a bemetszések környezetében fellépő helyi károsodásnak és az így létrejövő terhelés átrendeződésnek köszönhetően.
Bemetszés melletti helyi károsodás egy több irányban erősített szívós hibrid kompozitban, röntgen komputer tomográfiás felvételen

3. munkaszakasz
2018. október 1. - 2019. szeptember 30.
A vékony rétegű üvegszál/szénszál erősítésű hibrid kompozitok károsodás jelző funkcióját elemeztük, amelynek alapja, hogy az üvegszálas réteg átlátszóságát kihasználva a szénszálas réteg töredezését láthatóvá tehetjük. Eredményeink alapján lehetséges egy kis méretű (10x50 mm) utólag felragasztott érzékelővel jelezni, ha a vizsgált alkaltrész egy előre meghatározott fajlagos nyúlásnál nagyobb terhelést kapott. A legfontosabb tervezési paramétereket és az érzékelők pontosságát befolyásoló legfontosabb tényezőket feltártuk. Az új technológia működését egy szénszálas epoxiból készült kerékpár kormányon mutattuk be. A kifejlesztett szénszál/üvegszál erősítésű hibrid kompozit rétegek azonban alkalmasak teherviselő és károsodás jelző funkciók együttes betöltésére is. A technológiában rejlő további lehetőségek bemutatására egy nagyobb méretű (600x300 mm) szendvics lapot készítettünk hab maggal, amelyet hajlító terhelésnek vetettünk alá. A szerkezet húzott oldalán egy multifunkcionális szerkezeti- és károsodás jelző réteget helyeztünk el, amellyel sikerült a végső tönkremenetel előtt jelezni az alkatrész károsodását, még mielőtt az veszélyesen meggyengült vagy katasztrofálisan tönkrement volna (lásd ábra). A bemutatott megvalósíthatósági tanulmányok bizonyítják, hogy a kifejlesztett túlterhelés jelző technológiák nem csak próbatestes vizsgálatok esetén, hanem közepes méretű kritikus alkatrészek esetén is jól működnek.
Multifunkcionális szerkezeti- és érzékelő réteg túlterhelés utáni állapotban



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Wisnom Michael , Potter Kevin , Czel Gergely , Jalalvand Meisam : Strain overload sensor.
  2. Suwarta P., Fotouhi M., Czel G., Longana M., Wisnom M. R.: Fatigue behaviour of pseudo-ductile unidirectional thin-ply carbon/epoxy-glass/epoxy hybrid composites. Composite Structures, 224, UNSP 11099/1-UNSP 11099/ (2019) 10.1016/j.compstruct.2019.110996 IF=5.138 D1
  3. Rev T., Jalalvand M., Fuller J., Wisnom M. R., Czél G.: A simple and robust approach for visual overload indication - UD thin-ply hybrid composite sensors . Composites Part A (Applied Science and Manufacturing), 121, 376-385 (2019) 10.1016/j.compositesa.2019.03.005 IF=6.444 D1
  4. Csallány E. K., Czél G.: Rendezett nem folytonos szálakkal erősített, nagy teljesítményű polimer kompozitok mechanikai tulajdonságai nyomó terhelés esetén. Polimerek, 5, 388-392 (2019)
  5. Wisnom M. R., Czél G., Fotouhi M., Fuller J., Jalalvand M., Rev T., Wu X.: Reduced tensile notch-sensitivity in pseudo-ductile thin-ply composites. in '18th European Conference on Composite materials, ECCM18 Athens, Greece. 2018.06.24-2018.06.28.,1-7 (2018)
  6. Rév T., Czél G., Wisnom M. R.: A Novel Test Method to Induce Bi-axial Stress States in Thin-ply Carbon Composites Under Combined Longitudinal Tension and Transverse Compression. in 'American Society for Composites—Thirty-Third Technical Conference on Composite Materials Seattle, USA. 2018.09.24. - 2018.09.,9 (2018)
  7. Czél G., Bugár-Mészáros M., Wisnom M. R.: The effect of test temperature on the pseudo-ductility of thin-ply hybrid composites. in '18th European Conference on Composite materials, ECCM18 Athens, Greece. 2018.06.24-2018.06.28.,1-8 (2018)
  8. Suwarta P., Czél G., Fotouhi M., Rycerz J., Wisnom M. R.: Pseudo-ductility of Unidirectional Thin Ply Hybrid Composites in Longitudinal Compression. in 'American Society for Composites—Thirty-Third Technical Conference on Composite Materials Seattle, USA. 2018.09.24. - 2018.09.,10 (2018)
  9. Czél G., Rev T., Jalalvand M., Fotouhi M., Longana M. L., Nixon-Pearson O. J., Wisnom M. R.: Pseudo-ductility and reduced notch sensitivity in multi-directional all-carbon/epoxy thin-ply hybrid composites. Composites Part A (Applied Science and Manufacturing), 104, 151-164 (2018) 10.1016/j.compositesa.2017.10.028 IF=6.282 D1
  10. Czél G., Jalalvand M., Wisnom M. R., Czigány T.: Design and characterisation of high performance, pseudo-ductile all-carbon/epoxy unidirectional hybrid composites. Composites Part B (Engineering), 111, 348-356 (2017) 10.1016/j.compositesb.2016.11.049 IF=4.92 D1

© 2014 BME Polimertechnika Tanszék - Készítette: Dr. Romhány Gábor