HUN-REN-BME Kutatócsoport





Nagy teljesítményű, szívós viselkedésű multifunkcionális hibrid kompozitok kifejlesztése

Pályázati azonosító:
FK 131882
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
Prof. 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.
A harmadik munkaszakaszra szívós viselkedésű, javítható kompozitok kifejlesztését terveztük. Három rétegű, egy irányú szálakkal erősített hibrid kompozitokat gyártottunk prepreg rétegekből autoklávban, üvegszál/epoxi és szénszál/epoxi alapanyagok felhasználásával. A rétegek határfelületére 20 um vastag PA12 fóliákat helyeztünk amelyek jól tapadtak a kompozit rétegekhez. A szénszál/epoxi réteget 50 mm-es szakaszokra vágtuk a szálakra merőleges irányban, mielőtt a folytonos üvegszál/epoxi rétegekkel összeépítettük őket. Ez a speciális szerkezet megakadályozta a szénszál/epoxi rétegek szakadását, így húzó terhelés hatására csupán a rétegek elválása következett be a korábbi vágásoktól kiindulva. Az így kapott anyag kedvező, nem-lineáris, szívós jellegű feszültség-nyúlás választ adott, a kezdeti lineáris, az enyhén emelkedő plató és a második lineálisz szakasz között sima átmenetekkel. A kontrollált károsodási mechanizmus (rétegelválás szálszakadások nélkül) lehetővé tette, hogy 30-40% csökkenés után hő és nyomás alkalmazásával visszaállítsuk a próbatestek kezdeti merevségét. A húzó irányú túlterhelés hatására károsodott próbatesteket autoklávban a PA12 fóliák olvadási hőmérséklete fölé hevítve és 7 bar nyomás mellett csupán 10 percig hőntartva javítottuk. A károsodott próbatestekben az áttetsző üvegszálas rétegeknek köszönhetően szemmel is jól látható rétegelválások a javító kezelés hatására eltűntek. A próbatestek kezdeti rugalmassági mosulusa a károsodás előtti értkre állt vissza, és a lineáris viselkedés határa (könyökpont) sem változott számottevően az ismételt húzó terhelés során.
Szívós viselkedésű javítható hibrid kompozit próbatest károsodás után, javítás után, újraterhelés után

4. munkaszakasz
2022. december 1. - 2023. november 30.
A munkatervnek megfelelően a harmadik munkaszakaszra kitűzött kutatás célja a kifejlesztett kompozit anyagok károsodás tűrésének elemzése és javítása volt, a lemez síkjára merőleges terhelés esetén. 4 mm vastag kvázi-izotrop szálelrendezésű lapokat terveztünk a középsíkba helyezett határfelületi módosító réteggel, vagy anélkül. A vizsgálatok célja a peremük mentén alátámasztott 100x150 mm-es vizsgálati lapokban felhalmozódó károsodás mértékének megállapítása volt egy 16 mm átmérőjű félgömb alakú nyomótest adott mértékű benyomódása hatására. Üvegszál/epoxi anyaggal dolgoztunk, mivel az áttetsző rétegek jó eséllyel megmutatják a közöttük fellépő rétegelválásokat megfelelően erős hátulról érkező megvilágítás esetén. 40 mm átmérőjű formaleválasztó fóliát helyeztünk a vizsgált lapok középsíkjába amely csökkentette a rétegközi tulajdonságokat, ezáltal a módosított területre irányította a rétegelválás kezdetét. Ilyen módon elérhető, hogy a módosított határfelületre irányítsuk a lemezben fellépő rétegelválások jelentős részét, két vastag blokkot hozva létre a károsodott lemez vastagsága mentén. Ez a károsodási mintázat előnyösebb lehet a következő benyomódás utáni nyomóvizsgálat során, mint a számos réteg határfelületén elválásokat tartalmazó mintázat ami a módosítatlan kvázi-izotrop lapok esetén jellemző. A benyomódás vizsgálatokat úgy hajtottuk végre, hogy közben nagy felbontású digitális kamerával rögzítettük az erős hátsó megvilágítás mellett kirajzolódó rétegelválási mintázatokat. Megfigyeltünk bizonyos eltéréseket a módosított és a módosítatlan lapok károsodási mintázata között, de további vizsgálatok szükségesek a következtetések levonása előtt. Az első benyomódás utáni nyomóvizsgálatok során megfigyeltük a várt korrelációt a vizsgált lapban található károsodás mértéke és annak nyomószilárdsága között, továbbá a rétegrend hatását.
Benyomódás utáni nyomóvizsgálat során kialakult károsodási mintázatok

5. munkaszakasz
2023. december 1. - 2024. május 31.



Pályázat támogatásával megjelent közlemények


  1. Wisnom M.R., Pimenta S., Shaffer M.S.P., Robinson P., Potter K.D., Hamerton I., Czél G., Jalalvand M., Fotouhi M., Anthony D.B., Yu H., Longana M.L., Wu X., Bismarck A.: High performance ductile and pseudo-ductile polymer matrix composites: A review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 181, 108029/1-108029/39 (2024) 10.1016/j.compositesa.2024.108029 IF=8.7 Q1
  2. Marton G. Zs., Mezey Z., Czél G.: Prepregből autoklávban gyártott kompozit lemezek rétegközi tulajdonságainak alakulása a térhálósítás során alkalmazott technológiai paraméterek függvényében. in 'XXXI. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT 2023) Temesvár, Románia. 2023.04.27-2023.04.30.,354-359 (2023)
  3. Marino S. G., Czél G. : Development and characterisation of reparable, film-interleaved, pseudo-ductile hybrid composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 169, 107496/1-107496/13 (2023) 10.1016/j.compositesa.2023.107496 IF=8.7 Q1
  4. 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=8.7 Q1
  5. 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=9.1 Q1
  6. 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=13.1 D1
  7. 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=8.7 Q1
  8. 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) 10.1016/j.compositesa.2020.106233 IF=9.463 Q1
  9. 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
  10. 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
  11. Wisnom M., Potter K., Czél G., Jalalvand M.: Strain overload sensor. GB2544792B, Egyesült Királyság (2020)
  12. 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
  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) 10.3390/polym12122834 IF=4.329 Q1
  14. 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
  15. 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
  16. 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

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