mil HDBK 695

Metody a normy pro
zkoušení kompozitních
materiálů
Karel Doubrava
ČVUT v Praze, Fakulta strojní
• Zkoušení laminátů
– Vlákna, Matrice, Laminy, Lamináty
• Zkoušení sendvičů
• Odporová tenzometrie na
kompozitních konstrukcích
2
Vlákna
• ASTM D 3379
• ASTM D 4018
• Zkouška jednosměr. laminátu
ASTM D 3039
Vlastnost 0 100
Vlastnost f [%] 
Vf
3
Matrice
• Tah ASTM D 638
Fmtu , Fmty , Emt , mt ,  mtu
• Tlak D 695Fmcu , Fmcy , Emc , mc ,  mcu
(prizma, válce, tenké vzorky)
• Smyk ASTM E 143, ASTM D 5379
Fmsu , Fmsy , Gms
4
Druhy zkoušek – laminy,
lamináty
•
•
•
•
Tah (ASTM D 3039)
Tlak (ASTM D 3410, ASTM D 695)
Smyk (ASTM D 3518, D 5379, …)
Interlaminární smyk (ASTM D 2344)
5
Tahová zkouška
ASTM D 3039
• Pevnost v tahu
• Modul pružnosti
• Poissonovo číslo
 1b   1a
E1  b
 1   1a
a … 0,1%, b … 0,3%
6
ASTM D 3039 klasifikace
poruch
1. znak
Mód poruchy
Angled
edge
Delamination
Grip/tab
2. znak
Plocha poruchy
3. znak
Místo
poruchy
A Inside grip/tab I Bottom
D At grip/tab
A Top
G <1Wfrom
grip/tab
Lateral
L Gage
Multi—mode
M Multiple areas
long.-Splitting S Various
eXplosive
X Unknown
Other
O
B
T
A Left
L
G Right
M Middle
V Various
U Unknown
R
M
V
U
7
Tlakové zkoušky
• ASTM D-695 (SACMA SRM-1)
• ASTM D 3410 (Celanese, IITRI)
• ASTM D 5467
8/8
Tlakové zkoušky
ASTM D-695
• Pevnost v tlaku
• Modul pružnosti v tlaku
 1b   1a
E1  b
 1   1a
http://www.wyomingtestfixtures.com/
9
Tlakové zkoušky
ASTM D 3410
Celanese
IITRI
http://www.wyomingtestfixtures.com/
10
ASTM D 3410 klasifikace
poruch
1. znak
Mód poruchy
Angled
Brooming
end-Crushing
Delamination
Euler bucling
tHrough-thickness
Kink bands
Lateral
2. znak
3. znak
Plocha
Místo
poruchy
poruchy
A Inside grip/tab I Bottom
B At grip/tab
A Top
C Gage
G Left
D Multiple areas M Right
E Tab adhesive T Middle
H Various
V Various
K Unknown
U Unknown
L
Multi—mode
M
long.-Splitting
S
Transverse shear
T
eXplosive
X
Other
O
B
T
L
R
M
V
U
11
ASTM D 5467
1. znak
Mód poruchy
F cu
h 

P max lm  a  y  f 
2 




E
2
2w h f  a  y   0 h a y 2 
Ef


c 
2 w


2. znak
Plocha
poruchy
3. znak
Místo
poruchy
skin to core
Delamination
Filament fracture
tHrogh-tickness
Layer instability
local Wrinkling
Multi-mode
D At load
A Left
cyclinder
F Gage
G Right
H Multiple areas M Middle
L Outside gage O Various
W Various
V Unknown
M Unknown
U
core Crushing
C
long.-Spliting
S
h 

Plm  a Transverse
y  f  shear
2 

eXplosive

E
2
h f  a  y   0 ha y 2 
Other E

f
T
X
L
R
M
V
U
 b  a
E  b
  a
O
a … 0,1%, b … 0,3%
12
Smykové zkoušky
• Jednoosý tah 45° laminátu
• Smykové testy s dvojitým a trojitým
vedením
• Smykový vzorek s V vrubem
(Iosipescu, s vedením)
• Krut tenkostěnné trubky
13
Smyk - Jednoosý tah 45°
laminátu
• BS EN ISO 14,129, ASTM D 3518
• Vzorek vrstva >0,125 mm, 16 vrstev
 xx   yy
 xx
 xx
 11 
 xy;  22 
 xy;  12   xy  11   22 
;  12   xx  yy
2
2
2
 xx
 12b   12a
G12 
 b
2 xx   yy   12   12a
S12 
14
Pmax
2bh
Smykové testy s dvojitým
vedením ASTM D 4255
2)
http://www.wyomingtestfixtures.com/
S xy 
Pmax
Lh
G12 
 xy
 xy

P
2 Lh  45
15
Smykové testy s trojitým
vedením ASTM D 4255
3)
http://www.wyomingtestfixtures.com/
S xy 
Pmax
2 Lh
G12 
 xy
 xy

16
P
4 Lh  45
Smyk -- Smykový vzorek s V
vrubem (Iosipescu)
ASTM D 5379
Pi
Pu
F 
, i 
w h
wh
u
http://www.wyomingtestfixtures.com/
   45    45
17

G

ASTM D 5379
18
Smykový vzorek s V vrubem
ASTM D 7078
Pi
Pu
F 
, i 
w h
wh
u
   45    45
http://www.wyomingtestfixtures.com/
19
G


ASTM D 7078
20
Krut tenkostěnné trubky
ASTM D 5448
2TRo
 Ro4  Ri4
 xy
 xy
G12 

 xy ( 45    45 )
 xy 


2)
21
Smyk krátkého nosníku
ASTM D 2344
F sbs  0.75
Pm
bh
http://www.wyomingtestfixtures.com/
22
Interlaminární pevnost
Mód I ASTM D 5528
GI 
3 P
2ba
Mód I+mód II ASTM D 6671
23
Sendviče
•
•
•
•
•
Tah ASTM C 297
Tlak ASTM C 364, C 365, D7336
Smyk ASTM C 273, C393
Ohyb ASTM D 7249, D 5467
Impact ASTM 7766
24
Příčný tlak ASTM C 364
Pmax

w(2t fs )
1. znak
Mód poruchy
2. znak
Plocha poruchy
3. znak
Místo poruchy
Facesheet compression
Facesheet delam. Buckling
Honeycomb Facesheet
Dimpling
Core Compression
Core Shear
F
B
D
At end
Gage
Various
A Top
G Bottom
V Middle
T
B
M
C
S
Unknown
U Various
Unknown
V
U
Multi-mode
M
Overal Panel buckling
P
eXplosive
X
Other
O
25
Tah ASTM C 297
Fz
ftu
Pmax

A
velikost buňky
min [mm]
…
3
6
max
[mm]
3
6
9
26
min. ploch
vzorku
[mm2]
625
2500
5625
Tlak ASTM C 365
Pmax
Fz 
A

P0, 003  P0, 001   t
fc
Ez 
 0,003   0,001   A
fcu
velikost buňky
min [mm]
…
3
6
max
[mm]
3
6
9
min. ploch
vzorku
[mm2]
625
2500
5625
27
Smyk jádra ASTM C273

P
u

t
Lb

P / u  t
G
Lb
1. znak
Mód poruchy
2. znak
Plocha
poruchy
Core Shear
S
Interface failureI
eXplosive
X
Other
O
At end
Gage
One Corner
Various
Unknown
3. znak
Místo poruchy
A
G
C
V
U
Top
T
Bottom
B
Middle
M
Entire Length E
Various
V
Unknown
28
U
Smykové vlastnosti jádra z
ohybu sendviče ASTM C 393
ult
s
F
Pmax

(d  c)b
1. znak
Mód poruchy
core Crushing
skin to core
Delamination
Facing failure
Multi-mode
transverse
Shear
eXplosive
Other
2. znak
Plocha
poruchy
3. znak
Místo poruchy
C At load bar A Core
D Gage
G Core-facing
bond
F Multiple
M Bottom
areas
facing
M One Corner C Top facing
S Various
V both Facing
C
A
X Unknown
O
V
U
29
U Various
Unknown
B
T
F
Vlastnosti potahů z ohybu
dlouhých nosníků
ASTM D 7249
1. znak
Mód poruchy
core Crushing
skin to core
Delamination
Filament fracture
tHrough-thickness
konfigurace
Standardní
Nestanadrdní
4PB
3PB
4PB čtvrtinová
Vzdálenost
podpor
560 mm
S
S
Vzdálenost
sil
100 mm
0
S/2
4PB třetinová
S
S/3
Pmax ( S  L)
F 
2(d  c)bt
u
Layer instability
Multi-mode
longitudional
sPlitting
teNsile
2. znak
Plocha
poruchy
3. znak
Místo poruchy
C At load bar A Core
D Gage
G Core-facing
bond
F Multiple
M Bottom facing
areas
H Outside
O Top facing
gage
L Various
V both Facing
M Unknown
U Various
P
Unknown
N
local Wrinkling
W
transverse Shear
S
eXplosive
X
Other
O
30
C
A
B
T
F
V
U
Odolnost na impakt ASTM
7766
• Modifikace ASTM 6264, 7136 (vlák. komp.)
E  CF t
31
Lepené spoje
• Tah ASTM D897, ASTM D2095
• Smyk ČSN EN 1465, ASTM D 1002, EN
2243-1, D3164
• Odlup (ČSN EN ISO 11339, EN 2243-3,
ASTM D3167)
32
Poruchy lepených spojů
33
Tah
• ASTM D897, ASTM D2095
34
Smyk
• ČSN EN 1465, ASTM D 1002, EN 2243-1,
D3164
35
Smyk
• ASTM D 3528
36
Smyk
• ČSN EN 14869-2
37
Smyk cyklické zatížení
• ČSN EN ISO 9664
• ASTM D3166
38
Odlup
• ČSN EN2243 ASTM D1786
• ČSN ASTM D1876
39
Inserty
• Tah (vytrhávání)
• Smyk
• Krut
Zdroje: ASTM Standards
40
Odporová tenzometrie na
kompozitních konstrukcích
• Velikost (6mm)
• Odpor 350Ω, napájecí napětí
→tepelný výkon
• Teplotní kompenzace (půlmostové
zapojení)
• Dvousložkové tmely
• Příprava povrchu
• Vlhkost
41



Optická vlákna
Plošné sledování deformací
•Moiré
•DIC, ESPI, Sherografie
NDT
•AE
Optické vlákno
primární ochrana
(polyakrilát, poliamid, ...)
[ø150-250μm]
plášť
(sklo, n=1,46)
[ø125μm]
jádro
(sklo, n=1,48)
[ø8-10μm]
Optické vlákno
vnější plastový
obal
vnitřní vložka
aramidová výztuž
Ochrana optického vlákna
posun spektra způsobený
zkrácením mřížky
-Δ
spektrum z optického
zdroje
posun spektra způsobený
prodloužením mřížky
+Δ
vlnová délka
[nm]
část spektra odražená zpět
mřížkou
vlnová délka
[nm]
vlnová délka
[nm]
optický
rozbočovač
spektrometr
optický zdroj
Braggova mřížka
spektrometr
Braggova vlnová délka ...
 B  2.n.
Braggova vln. délka ...
 B  2.n.
jádro
n … efektivní index lomu jádra opt. vlákna
 … perioda mřížky [nm]
plášť
Λ
Relativní změma změna Braggovy vlnové délky způsobená deformací
a změnou teploty
ΔλB
= k .ε  kT .T
λB
kε … defromační koeficient
ΔλBSTRAIN = λB .( 1  p).ε
p … defromačně optický koeficient
… koeficient teplotní roztažnosti opt.
kT … teplotní koefficient teploty
vlákna
ΔλB
TEMP .
 λB .(α + ξ). ΔT
ξ
… teplotně optický koeficient
Aparatury
Aplikace - sledování křídla


Křídlo letadla kategorie UL Phoenix
Air U15
2 vlákna 11 snímačů v hlavním
nosníku
Kořenové
žebro
10 FBG sensors - tlak
1 FBG sensor - tah

Instlace – Phoenix Air Ústí nad Orlicí

Statická destrukční zkouška (VUT
Brno)
Moiré
Digitální korelace obrazu
Sherography
Akustická emise
Akustická emise
Zdroje
1)
Mallick, P. K. Composites Engineering Handbook, CRC
Press, 1997, ISBN 0824793048
2) Hodgkinson, J.M. Mechanical testing of advenced fibre
composites, Woodhead Publishing 2000, ISBN
1855733129
3) Carlsson, L.A., Adams, D.F., Pipes, R.B. Experimental
Characterization of Advanced Composite Materials, Third
Edition, CRC Press, 2002 , ISBN1587161001
4) COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK – VOLUME 1, Polymer
Matrix Composites, Guidelines for Characterization of
Structural Materials MIL-HDBK-17, US Army Research
Laboratory, 2002, Fort Belvoir,
) Valenta, F. , kol.: Pružnost pevnost III, 2003, ČVUT v Praze
) Kopec, B. a kol.:Nedestruktivní zkoušení materiálů a
konstrukcí 2008, Brno,CERM
55
) www.dantecdynamic.com