ANALYSIS OF FATIGUE RESISTANCE OF PEI/SCF/PTFE ANTIFRICTION COMPOSITE BASED ON STRUCTURAL AND DEFORMATION DAMPING FACTORS
- Authors: Bogdanov A.A1,2, Panin S.V1,2, Buslovich D.G1
- Affiliations:
- Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation
- National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation
- Issue: No 5 (2024)
- Pages: 5-13
- Section: ARTICLES
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4428
- DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.5.01
- Cite item
Abstract
The loading of short carbon fibers (SCF) can significantly improve the fatigue properties of polymer matrix composites (PMC). PMCs are used in harsh conditions, where, in addition to mechanical properties, functional properties, for example, anti-friction, are of importance as well. For this purpose, special functional additives are additionally loaded into the composite, which, however, can significantly deteriorate the structure of the PMCs as well as their fatigue resistance. At the same time, assessment of damping is a common approach for studying the fatigue resistance of materials, including polymer matrix composites. However, the literature lacks relevant studies in which the relationship is established between the structure of PMCs with their fatigue resistance and damping properties. The paper studies polyetherimide (PEI)-based composites reinforced with SCF with a length of 200 μm and an aspect ratio of AR=20. Polytetrafluoroethylene (PTFE) with an average particle size of 3 μm was used as an antifriction additive. The mass fraction of components in the composition of the composites under study was as follows: in the two-component composite “PEI/SCF”: 90 % PEI + 10 % SCF; in three-component “PEI/SCF/PTFE”: 80 % PEI + 10 % SCF + 10 % PTFE. The purpose of the study was to establish the patterns of correlations “composition-structure-properties” under fatigue loading with the use of the parameters of mechanical hysteresis loops. Fatigue tests were carried out under load control mode at a maximum cycle stress of 35, 45 and 55 MPa for the three component PEI/SCF/PTFE composite, while it was 55, 65 and 75 MPa for the two-component PEI/SCF composite. The load pulse shape was sinusoidal with a cycle asymmetry coefficient of R=0, i.e. the minimum stress in all tests was taken to be zero. During the fatigue tests, two loading blocks were alternated: i) the main loading block with a frequency of 5 Hz and ii) measurement blocks (cycles) for recording the parameters of hysteresis loops with a loading frequency of 1 Hz. During the measuring cycle, load data was recorded and photographs of the sample surface were captured to determine strain and construct hysteresis loops. Based on the obtained mechanical hysteresis loops, the following parameters were determined: loop area, change of the dynamic modulus, and development of cyclic creep. The damping (loss) coefficient (factor) ψ was defined as the ratio of the hysteresis loop area to the area of elastic strain energy. Based on the results of the study, the fatigue properties of the PEI/SCF/PTFE antifriction composite were examined, while some recommendations on their improvement were given.
Full Text
Усталость при циклическом нагружении является одним из наиболее распространенных видов разрушения деталей и конструкций в промышленности [1–3]. При усталости в материале происходит микроструктурные изменения в виде зарождения и накопления повреждений, приводящих к локальной пластической (неупругой) деформации и, что сопровождается диссипацией энергии [4]. Многие авторы использовали энергетический параметр диссипации энергии (демпфирования) для изучения усталости и количественной характеризации данного процесса [5–7]. Численная оценка потери энергии традиционно проводится по площади петли механического гистерезиса [8]. Считается, что данный подход наилучшим образом подходит для изучения малоцикловой усталости, где величина неупругих деформаций и потери на гистерезис выше по величине (по сравнению с многоцикловой усталостью) и легче регистрируется. Однако исследования последних лет показали возможность расширения применения энергетического подхода и для анализа деформационных процессов при многоцикловой усталости [9]. Подобные исследования касаются, в первую очередь, металлических материалов [10]. Количественная характеризация свойств демпфирования использовалось многими авторами при изучении процессов усталостного повреждения полимерных композитов. При этом отмечается, что параметр (коэффициент) демпфирования может быть более чувствительным к развивающимся изменениям, чем традиционно анализируемое изменение (снижение) жесткости [11–13]. В работе [14] показано, что усталостная долговечность зависела от структуры границы раздела между компонентами (фазами) и особенно от наличия химической связи в межфазной области. Демпфирование может быть количественно охарактеризовано через коэффициент демпфирования ψ, также называемым фактором диссипации энергии (energy dissipation factor). Он рассчитывается как отношение потраченной (lost) энергии в цикле к полной упругой потенциальной энергии. Авторами работы [15] показано, что для однонаправленных слоистых композитов развитие усталостных повреждений (главным образом повреждение армирующих волокон) сопровождалось увеличением коэффициента демпфирования; при этом сравнение матриц (реактопласт - эпоксидная смола и термопласт - ПЭЭК) показало, что при использовании армирования теми же волокнами усталостная долговечность углеволоконного композита (с хрупкой эпоксидной матрицей) выше, чем у аналогичного композита с более пластичной термопластической матрицей. Авторы связывают этот эффект с образованием и ростом микротрещин в эпоксидной матрице, которые способствуют диссипации энергии в условиях приложения циклической нагрузки. Meneghetti и др. [16] показали, что потери энергии на гистерезис обусловлены главным образом развитием усталостных повреждений, а доля деформации ползучести, вызванная вязкоупругостью, при этом пренебрежимо мала. В работе [17] рассматривали композиты на основе полипропилена, армированные короткими стекловолокнами. Показано, что наличие как армирующих волокон, так и многочисленных границ раздела волокна с матрицей приводило к более высокому выделению тепла, по сравнению с ненаполненным материалом при одинаковой деформации в цикле. Также отмечалось, что повышение содержания волокна, а также слабая адгезия, приводят к увеличению потерь тепловой энергии. В работе [18] также показано, что увеличение демпфирования композита сопровождается снижением усталостной долговечности. Кроме того в работе [19] была показана возможность мониторинга (изменений) демпфирования с целью оценки зарождения повреждений в полимерных композитах при усталости, в том числе в неразъемных соединений адгезионно-сформованных композитов (adhesively bonded composite joint structures). Таким образом показано, что оценка демпфирования является эффективным подходом для исследования сопротивления усталости материалов, в том числе полимерных композитов. Однако, несмотря на это, в литературе в недостаточной степени описана взаимосвязь развития усталости и изменения демпфирующих свойств с особенностями структуры полимерных композитов. В данной работе сделана попытка выделить и количественно оценить деформационный и структурный факторы, связанные с диссипацией энергии, а также путем их количественной характеризации использовать для анализа усталостных свойств композитов на основе ПЭИ. Выявление данных факторов имеет потенциал для более точного прогнозирования сопротивления усталости и разработки композитов с повышенным сопротивлением ему через учёт типа наполнителей, их содержания, геометрии, а также характера распределения в объеме.About the authors
A. A Bogdanov
Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation; National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation
S. V Panin
Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation; National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation
D. G Buslovich
Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russian Federation
References
- Tinga T. Principles of Loads and Failure Mechanisms. London: Springer London, – 2008. doi: 10.1007/978-1-4471-4917-0
- Carlson R.L., Kardomateas G.A., Craig J.I. Mechanics of Failure Mechanisms in Structures // Solid Mechanics and its Applications. Dordrecht: Springer Netherlands, – 2012. – V. 187. doi: 10.1007/978-94-007-4252-9
- Robinson P., Greenhalgh E., Pinho S. Failure Mechanisms in Polymer Matrix Composites: Criteria, Testing and Industrial Applications // Failure Mechanisms in Polymer Matrix Composites: Criteria, Testing and Industrial Applications / ed. Paul Robinson E.G. and S.P. Woodhead Publishing Limited, – 2012. – 1–450 p. doi: 10.1533/9780857095329
- Casado J.A. et al. Fatigue failure of short glass fibre reinforced PA 6.6 structural pieces for railway track fasteners // Eng. Fail. Anal. – 2006. – V. 13, No. 2 SPEC. ISS. – pp. 182–197. doi: 10.1016/j.engfailanal.2005.01.016
- Yamashita A., Takahara A., Kajiyama T. Aggregation structure and fatigue characteristics of (nylon 6/clay) hybrid // Compos. Interfaces. – 1998. – V. 6, No. 3. – pp. 247–258. doi: 10.1163/156855499X00071
- Carrascal I.A. et al. Fatigue damage analysis based on energy parameters in reinforced polyamide // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. – 2012. – V. 35, No. 7. – pp. 683–691. doi: 10.1111/j.1460-2695.2011.01665.x
- Li A., Huang J., Zhang C. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyether-ether-ketone using a novel energy dissipation–based model // Compos. Struct. Elsevier Ltd, – 2021. – V. 272, No. 6. – pp. 114227. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114227
- Arif M.F. et al. Multiscale fatigue damage characterization in short glass fiber reinforced polyamide-66 // Compos. Part B Eng. Elsevier Ltd, – 2014. – V. 61. – pp. 55–65. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.01.019
- Kong D., Xiao X. High Cycle-life Shape Memory Polymer at High Temperature // Sci. Rep. Nature Publishing Group, – 2016. – V. 6, No. 92. – pp. 1–10. doi: 10.1038/srep33610
- Mortezavi V. et al. Fatigue analysis of metals using damping parameter // Int. J. Fatigue. Elsevier Ltd, – 2016. – V. 91. – pp. 124–135. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2016.05.011
- Shiozawa D. et al. Fatigue damage evaluation of short carbon fiber reinforced plastics based on thermoelastic temperature change and second harmonic components of thermal signal // Materials (Basel). – 2021. – V. 14, No. 17. doi: 10.3390/ma14174941
- Eftekhari M., Fatemi A. On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behavior of some polymers and their composites: Experiments and modeling // Int. J. Fatigue. Elsevier Ltd, – 2016. – V. 87. – pp. 153–166. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2016.01.014
- Kuroshima Y. et al. Evaluation of fatigue strength of short carbon fiber reinforced thermo plastics by monitoring temperature rise in fatigue process // Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu, A Hen/Transactions Japan Soc. Mech. Eng. Part A. – 1999. – V. 65, No. 633. – pp. 1105–1109. doi: 10.1299/kikaia.65.1105
- Hachiya H., Takayama S., Takeda K. Effect of interface entanglement on fatigue life of polymer alloy and composites // Compos. Interfaces. – 1998. – V. 6, No. 3. – pp. 187–200. doi: 10.1163/156855499X00026
- Zhang Z., Hartwig G. Relation of damping and fatigue damage of unidirectional fibre composites // Int. J. Fatigue. – 2002. – V. 24, No. 7. – pp. 713–718. doi: 10.1016/S0142-1123(01)00206-7
- Meneghetti G. et al. An hysteresis energy-based synthesis of fully reversed axial fatigue behaviour of different polypropylene composites // Compos. Part B Eng. Elsevier Ltd, – 2014. – V. 65. – pp. 17–25. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.01.027
- Subramanian C., Senthilvelan S. Effect of fiber length on hysteretic heating of discontinuous fiber-reinforced polypropylene // Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. – 2009. – V. 58, No. 7. – pp. 347–354. doi: 10.1080/00914030902852252
- Zheng C., Yang X., Wang S. Flexural fatigue behavior of novel co-curing damping composite structures // Thin-Walled Struct. Elsevier Ltd., – 2022. – V. 180, No. February. – pp. 109853. doi: 10.1016/j.tws.2022.109853
- Khoshmanesh S., Watson S.J., Zarouchas D. The effect of the fatigue damage accumulation process on the damping and stiffness properties of adhesively bonded composite structures // Compos. Struct. Elsevier Ltd, – 2022. – V. 287, No. July 2021. – pp. 115328. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.115328
- Panin S. V. et al. Estimating Low-and High-Cyclic Fatigue of Polyimide-CF-PTFE Composite through Variation of Mechanical Hysteresis Loops // Materials (Basel). – 2022. – V. 15, No. 13. – pp. 1–18. doi: 10.3390/ma15134656
- Bogdanov A.A., Panin S. V. Prediction of Fatigue Life of Polyetherimide/Carbon Fiber Particulate Composites at Various Maximum Stresses and Filler Contents // Polymers (Basel). – 2024. – V. 16, No. 6. – pp. 749. doi: 10.3390/polym1606074