MTA-BME Kutatócsoport





Nagy teljesítményű, szívós viselkedésű multifunkcionális hibrid kompozitok kifejlesztése

Pályázati azonosító:
OTKA FK131882
Támogató:
Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH)
Futamidő:
2019. december 1. - 2023. november 30.
Témavezető (BME):
Dr. Czél Gergely

Résztvevő kutatók (BME):
Marino Salvatore Giacomo
Dr. Molnár Kolos
Dr. Pölöskei Kornél
Dr. Romhány Gábor
Dr. Szebényi Gábor
Dr. Toldy Andrea

Pályázat összefoglalója

A 21. század járműiparának egyik legnagyobb kihívása az üzemanyag fogyasztás és a káros anyag kibocsátás csökkentése a belsőégésű motoros járművek esetében. Mivel az elektromos járművek energiatároló egységei jelentős többletterhet képviselnek, így mindkét konstrukciónál kulcsfontosságú a járművek saját tömegének csökkentése a szerkezeti merevség és az utasbiztonság megőrzése mellett. A nagy szilárdságú, kis sűrűségű ugyanakkor biztonságos tönkremenetelű szerkezeti anyagok lehetővé tehetik a járművek új, gazdaságos és környezetkímélő generációinak megalkotását. A nagy teljesítményű üveg vagy szénszál erősítésű polimer kompozitok kivételesen magas fajlagos szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek, gyengeségük azonban a hirtelen, rideg tönkremenetel megfelelő figyelmeztetés és maradó teherviselő képesség nélkül. A szívós kompozitok a fémekéhez hasonló fokozatos tönkremenetelük és megemelt törési nyúlásuk révén a hagyományos kompozitokhoz képest biztonságos alternatívát jelentenek. További előnyük a károsodásra utaló figyelmeztetés a tönkremenetel előtt. A program vezető kutatója korábban szívós viselkedést ért el egy és több irányban erősített vékony rétegű hibrid kompozitok segítségével. A kutatási program egyik célja, hogy a kedvező tulajdonságú új anyagokat továbbfejlesszük, elsősorban a hibrid kompozitok réteg-határfelületeinek tulajdonságjavításával. A másik fő kutatási irány a szívós viselkedésű kompozitok értékes hozzáadott funkciókkal történő ellátása. A károsodást időben, szemmel látható módon jelző, vagy javítható kompozitok jelentős érdeklődésre tartanak számot a biztonságosabb üzemelés, illetve a teljes élettartam alatt felmerülő alacsonyabb költség miatt.

Pályázat eredményei

1. munkaszakasz
2019. december 1. - 2020. november 30.
A kutatás első évére ipari felhasználás szempontjából hasznos méretű, szívós viselkedésű és egyben károsodás jelző képességgel is rendelkező nagy szilárdságú multifunkcionális kompozit alkatrész kifejlesztését, prototípus gyártását illetve mechanikai vizsgálatát tűztük ki célul. A kiválasztott alkatrész a laboratóriumi gyártás kivitelezhetősége érdekében egyszerű geometriájú, azonban a nagy teherbírású szerkezeti alkatrészek feladata meggyőző bemutatására alkalmas kell legyen. Mivel további cél volt, hogy az alkatrész teljes felületén lehetséges legyen a túlterhelés jelzése, egy nagy felületű (600x300x10 mm), sík, szendvics szerkezetű kompozit panelt terveztem, amelynek teljes alsó borítólapját túlterhelés jelző réteggel láttam el. A szendvics szerkezetek tipikus igénybevétele a hajlítás, amelynek hatására az alsó borítólemez húzó feszültségnek van kitéve. A túlterhelés jelző rétegben található ultra-nagy moduluszú szénszálak egy előre meghatározott fajlagos nyúlás értéknél (0.3%) töredezni kezdenek és a legalsó üveg/epoxy illetve a töredező szénszál/epoxi réteg között helyi elválások alakulnak ki. A nagy kiterjedésű, katasztrofális rétegelválást azzal küszöbölöm ki, hogy speciális vékony kompozit rétegeket alkalmazok, amelyek törésük esetén nem szabadítanak fel a rétegelválás instabil terjedéséhez elegendő energiát. A túlterhelés jelzése során bekövetkező károsodás nem csökkenti veszélyes mértékben az alkatrész teherbíró képességét, viszont a töredezés és a stabil rétegelválások szemmel is jól látható mintázatot képesek létrehozni az érintett borítólemezen, amely kiválóan alkalmas az adott mértékű túlterhelés jelzésére, biztonsági figyelmeztető funkció betöltésére. A megtervezett kompozit szendvics panel gyártása a tanszék laboratóriumában található autokláv segítségével megtörtént. A kísérleteket elvégeztem, a túlterhelés jelző réteg működött, azonban a kompozit szendvics próbatestek a vártnál korábban, a felső borítólemez törése miatt ment tönkre.
Szívós viselkedésű, károsodás jelző funkcióval rendelkező szendvics panel

2. munkaszakasz
2020. december 1. - 2021. november 30.
A munkaszakaszra tervezett fő feladat a szívós viselkedésű hibrid kompozit anyagok körének bővítése normál vastagságú (nem vékony rétegű) szénszálas előgyártmányok felhasználásával. Ehhez szükséges a szénszálas és az üvegszálas rétegek közötti határfelület szívósságának célzott növelése. A hibrid kompozitok mátrix anyagául szolgáló epoxi gyantával azonos, 30 μm vastag fóliák alkalmazásával sikerült megközelíteni a szívós viselkedés határát, azonban 6 próbatestből csupán 2 mutatott kedvező tönkremenetelt. Hőre lágyuló akrilnitril-butadién-sztirol (ABS) fóliák alkalmazásával kis mértékű határfelületi szívósság növekedést sikerült elérnünk ami a hibrid kompozit lemezek tönkremeneteli módját nem javította jelentősen. Áttörést értünk viszont el a Libereci Műszaki Egyetemen eletro-szálképzéssel készült vékony nanoszálas szövedékek réteg határfelületeken történő alkalmazásával. A korábban jelentős erőesést mutató próbatestek szívós jellegű (lineáris-plató-lineáris) feszültség nyúlás diagramokat produkáltak. A réteg határfelületek nyíró törési szívóssága is jelentősen (1,72 N/mm-ről 2,91 N/mm-re) növekedett. A nanoszálas szövedékek további előnye, hogy a lemezek vastagságát csupán elhanyagolható mértékben növelik, mivel a rétegekben található mátrix anyag át tudja itatni őket, mégis célzottan módosítják a határfelületek mechanikai viselkedését (pl. nyíró merevségét). Szintén kiemelkedő eredményeket értünk el 20 μm vastag poliamid (PA) 12 anyagú hőre lágyuló fóliákkal. A vizsgálataink eredményéből kiderült, hogy ez az anyag kiemelkedően nagy határfelületi nyíró törési szívósságot (4.04 N/mm) képes biztosítani, viszont nyírószilárdsága elmarad az epoxiétól. PA 12 fóliákkal is sikerült stabil, szívós jellegű viselkedést elérni. A kifejlesztett új anyagokon részletes mikroszkópi vizsgálatokat is végeztünk ezek eredményeit a kapcsolódó publikációkban közzétettük.
Határfelületi szívósításra alkalmas poliamid nanoszálas paplan elektronmikroszkópos képe

3. munkaszakasz
2021. december 1. - 2022. november 30.

4. munkaszakasz
2022. december 1. - 2023. november 30.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Czél G. , Bugár-Mészáros M., Wisnom M. R.: Combined effect of moisture and test temperature on the pseudo-ductility of thin-ply carbon/epoxy-glass/epoxy hybrid composites. Composites Part A (Applied Science and Manufacturing), 165, 107353/1-107353/11 (2023) 10.1016/j.compositesa.2022.107353 IF=9.463 Q1
  2. Marino S. G., Kuželová Košťáková E. , Czél G. : Development of pseudo-ductile interlayer hybrid composites of standard thickness plies by interleaving polyamide 6 nanofibrous layers. Composites Science and Technology, 234, 109924/1-109924/14 (2023) 10.1016/j.compscitech.2023.109924 IF=9.879 Q1
  3. Czél G. : Development of bi-directional pseudo-ductile glass/carbon-epoxy hybrid composites for improved safety in structural applications. Composites Part B (Engineering), 231, 109546/1-109546/ (2022) 10.1016/j.compositesb.2021.109546 IF=11.322 D1
  4. Rev T., Wisnom M. R., Xu X., Czél G. : The effect of transverse compressive stresses on tensile failure of carbon fibre/epoxy composites. Composites Part A (Applied Science and Manufacturing), 156, 106894/1-106894/1-9 (2022) 10.1016/j.compositesa.2022.106894 IF=9.463 Q1
  5. He H., Guo J., Illés B., Géczy A., Istók B., Hliva V., Török D., Kovács J. G., Harmati I., Molnár K.: Monitoring multi-respiratory indices via a smart nanofibrous mask filter based on a triboelectric nanogenerator. Nano Energy, 89, 106418/1-106418/ (2021) 10.1016/j.nanoen.2021.106418 IF=19.069 D1
  6. Marino S. G., Czél G.: Improving the performance of pseudo-ductile hybrid composites by film-interleaving. Composites Part A (Applied Science and Manufacturing), 142, 106233/1-106233/16 (2021) https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106233 IF=9.463 Q1
  7. He H., Molnár K.: Fabrication of 3D printed nanocomposites with electrospun nanofiber interleaves. Additive Manufacturing, 46, 102030/1-102030/11 (2021) 10.1016/j.addma.2021.102030 IF=11.632 D1
  8. Kara Y., He H., Molnár K.: Shear‐aided high‐throughput electrospinning: A needleless method with enhanced jet formation. Journal of Applied Polymer Science, , e49104/1-e49104/13 (2020) 10.1002/app.49104 IF=3.125 Q2
  9. He H., Gao M., Török D., Molnár K.: Self-feeding electrospinning method based on the Weissenberg effect. Polymer, 190, 122247/1-122247/9 (2020) 10.1016/j.polymer.2020.122247 IF=4.43 Q1
  10. He H., Wang Y., Farkas B., Nagy Zs. K., Molnár K.: Analysis and prediction of the diameter and orientation of AC electrospun nanofibers by response surface methodology. Materials & Design, 194, 108902/1-108902/11 (2020) 10.1016/j.matdes.2020.108902 IF=7.991 Q1
  11. He H., Gao M., Illés B., Molnár K.: 3D Printed and Electrospun, Transparent, Hierarchical Polylactic Acid Mask Nanoporous Filter. International Journal of Bioprinting, 194, 108902/1-108902/11 (2020) 10.18063/ijb.v6i4.278 IF=6.638 Q1
  12. Wisnom M., Potter K., Czél G., Jalalvand M.: Strain overload sensor. GB2544792B, Egyesült Királyság (2020)
  13. Marino S.G., Mayer F., Bismarck A., Czél G.: Effect of Plasma-Treatment of Interleaved Thermoplastic Films on Delamination in Interlayer Fibre Hybrid Composite Laminates. Polymers, 12, 2834/1-2834/24 (2020) https://doi.org/10.3390/polym12122834 IF=4.329 Q1

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