Mechanical testing of unidirectional carbon fiber reinforced plastics
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2015-04-27
Department
Major/Subject
Koneenrakennuksen materiaalitekniikka
Mcode
K3003
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
132
Series
Abstract
The area of composites testing has been a major topic of research since the early adoption of composites in the aerospace industry, nearly 50 years ago. Today, the mechanical characterization of different material systems is of even greater importance, since most modelling software require material data to produce accurate results. This thesis studied a component consisting of 4 pultruded carbon fiber reinforced epoxy elements coated with a thermoplastic polyurethane coating. The objectives of the thesis were to understand the influence of the coating and contribution of one element on the strength of the component. Also, the effect of manufacturing and artificial defects on the mechanical properties of the component and its sub-components were studied. Using 3-point bending of long and short beams, tensile testing and optical microscopy, it was found that the coating doesn’t affect the measured strength of long beams in 3-point bending but increases it in short beams. It was shown that a polyurethane pad under the loading nose in a long beam 3-point bend test changes the failure mode from compressive to tensile failure, allowing prolonged loading to take place. Tensile testing proved to be challenging and no valid results were obtained. Different manufacturing defects were shown to have an effect on the strength of uncoated elements along with their microstructure, although not all defective states were captured with the long and short beam 3-point bending tests. Lack of impregnation, producing dry fibers, was shown to be the most detrimental state, reducing the strength measured by both tests by over 75 %. Conditioning the component in a weather chamber at 85 °C and 30 RH% in addition to being heated by a hot air gun and foreign object defects produced by tensioning the component over a pulley with a screw between the surfaces, reduced the strength by approximately 22 % in long beam three-point bending.Komposiittien mekaanista testausta on tutkittu siitä lähtien kun niiden käyttö yleistyi teollisuudessa noin 50 vuotta sitten. Nykyään aihe on entistä tärkeämpi, sillä uusien komposiittijärjestelmien omaksuminen vaatii niiden materiaaliominaisuuksien tuntemista. Tämän lisäksi, uusimmat mallinnusohjelmat vaativat syöttötietoina materiaalitiedot, jotta niillä saadaan tarkkoja tuloksia. Diplomityössä tutkittiin hiilikuitulujitteista komposiittiosaa, joka koostuu neljästä pultruusiolla valmistetusta hiilikuitukomposiittielementistä jotka ovat pinnoitettu polyuretaanipinnoitteella. Työn tavoitteena oli määrittää pinnoitteen vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin sekä yhden elementin osuus kokonaislujuudesta. Työssä tutkittiin myös valmistus- sekä keinotekoisten vikojen vaikutusta tutkitun komponentin sekä sen elementtien mekaanisiin ominaisuuksiin. Komponenttia tutkittiin kolmipistetaivutuksella, vetokokeilla ja valomikroskopialla. Pitkien kappaleiden kolmipistetaivutus osoitti, että pinnoitteella ei ole vaikutusta mitattuun lujuuteen, mutta lyhyillä kappaleilla pinnoitteen voitiin osoittaa nostavan sitä. Pitkien kappaleiden taivutuksista todettiin, että polyuretaanipehmusteen käyttö painimen alla muuttaa vauriomekanismin puristuspuolen mikronurjahduksesta vetomurtumaksi, sallien suuremman kuormituksen. Vetokokeet osoittautuivat haastaviksi eikä niistä saatu hyväksyttäviä tuloksia. Valmistusvioilla oli vaikutusta pinnoittamattomien elementtien lujuuteen sekä mikrorakenteeseen, vaikkakin kaikkia viallisia tiloja ei pystytty havaitsemaan lyhyiden ja pitkien palkkien kolmipistetaivutuksella. Valmistusvioista haitallisimmaksi osoittautui kuitujen alikyllästynyt tila, joka laski lyhyiden ja pitkien palkkien lujuutta jopa 75 %. Keinotekoisia vikoja luotiin kuumailmapuhaltamalla sääkaapissa 85 °C asteessa ja 30 % suhteellisessa kosteudessa olleita komponentteja, sekä asettamalla erikokoisia ruuveja vanteen ja jännityksessä olevan komponentin väliin. Molemmat viat laskivat komponentin lujuutta 22 % pitkien palkkien kolmipistetaivutuksessa.Description
Supervisor
Vilaca, PedroThesis advisor
Kere, PetriAntin, Kim
Keywords
pultrusion, CFRP, 3-point bending, defects