EVALUATION OF THE THERMAL AND MOISTURE AGING INFLUENCE IN AGGRESSIVE ENVIRONMENTS ON THE CHANGE IN THE OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF FIBERGLASS BY A SHORT BEAM BENDING TESTS BASED ON ACOUSTIC EMISSION TECHNIQUE

Abstract


The work is aimed at experimental research and description of the mechanical behavior and degradation of the fibrous structural composite material strength properties during thermal and moisture aging in aggressive (operational) environments of different duration and temperatures. The object of the study was STEF structural fiberglass. STEF is a laminated fiberglass reinforced plastic obtained by hot pressing of glass fabric impregnated with a thermosetting binder based on combined epoxy and phenol-formaldehyde resins. After preliminary aging under various temperature-time conditions, fiberglass samples were tested at normal temperature for interlayer shear. To study the defect initiation and propagation during the deformation of fiberglass after preliminary aging under various temperature-time conditions and environments, the acoustic emission method is used in this work, which makes it possible to study the deformation stage structure and track the processes associated with the formation of defects in the structure of the fibrous composite. Influence of various media, such as industrial water, sea water and machine oil, at different durations (15, 30, 45 days) and temperatures (22°, 60° и 90 °С) on the processes of composite destruction and the implementation of various mechanisms damage accumulation during quasi-static interlaminar shear tests were obtained and analyzed. The paper presents the test results obtained by the acoustic emission signals processing. The data illustrating the stages of damage accumulation are presented and described, and the main mechanisms of damage to the composite structure under loading are analyzed. The results of a study of the microstructure of samples obtained using a stereomicroscope before and after thermal and moisture aging in aggressive media are described.

Full Text

При внедрении композиционных материалов особое значение приобретают вопросы анализа условий разрушения и живучести изделий. Актуальной задачей является исследование и анализ влияния повышенных и пониженных (эксплуатационных) температур на механические свойства и механизмы разрушения армирующих и композиционных материалов, а также установления температурных зависимостей упругих и прочностных свойств волокнистых композитов, применяемых в ответственных конструкциях. Экспериментальные данные о влиянии эксплуатационных и климатических температур на механические свойства разных классов полимерных композитных материалов представлены в [1; 2]. Для прогнозирования ресурса работоспособности конструкций из полимерных композитов актуальным направлением исследований становится изучение во-просов, связанных со старением полимерных компо-зиционных материалов. Старение полимерных компо-зитов является повсеместной проблемой, которая приводит к ухудшению механических свойств, сокра-щению проектного срока службы конструкции и по-тенциальному преждевременному аварийному разру-шению. Проблема старения полимерных композитов в воздушной среде исследована в работах [3–5]. Боль-шинство конструкций из полимерных композитов во время эксплуатации подвержены воздействию атмо-сферных факторов (температура, влажность, солнечная радиация, циклическое изменение температуры, тро-пический и морской климат и т.д), которые оказывают влияние на их физические, химические и механические свойства. Важной задачей является изучение вопросов тер-мовлажностного старения полимерных композитов, так как при повышении температуры можно ускорить процессы старения. Исследования тенденций изменения физических и механических свойств полимерных ком-позитов на основе стекло-, угле- и базальтового волокна и эпоксидных, акриловых и полиамидных термопластических связующих при термовлажностном старении в различных средах (дистиллированная вода, морская вода, машинное масло, щелочные растворы и т.д.) отражены в работах авторов [6–19]. В работах основное внимание уделяется исследованию деграда-ции микроструктуры, диффузии жидкой среды. Разрушение волокнистых композиционных мате-риалов является многостадийным процессом, связан-ным и с формированием дефектных структур, таких как растрескиванием матрицы, расслоение и разрыв волокон. Для изучения инициирования и распростра-нения данных дефектных структур в процессе дефор-мирования стеклопластиков, предварительно соста-ренных в различных средах, применяются в том числе и дополнительные методы диагностики материалов. Для получения дополнительной информации о влиянии агрессивных сред на механизмы структурного разрушения в стеклопластике в работе применяется методика совместного использования испытательных систем и системы регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Метод акустической эмиссии основан на регистрации упругих волн, возникающих при де-формировании и внутренней локальной перестановке в структуре материала [20]. Анализ собранных опытных данных позволяет исследовать процессы, связанные с инициацией дефектов, их распространением в струк-туре материала под действием нагрузки в режиме ре-ального времени [21–23]. Авторы в своих работах об-ращают внимание на целесообразность использования данного метода с целью экспериментального исследо-вания процессов деформирования в стеклопластиках. Чаще всего в качестве информативного параметра ис-пользуется частота спектрального максимума (харак-теристика быстрого преобразования Фурье) [24–28]. Большое внимание уделяется вопросам установления связи с механизмами структурного разрушения в ком-позиционных материалах по параметрам сигналов аку-стической эмиссии. При подобного рода исследованиях наблюдается определенная зависимость: высокие значения частот сопоставляют с разрывами волокон, низкие – с разрушением матрицы, а средние – с обра-зованием расслоений и нарушением адгезии между структурными элементами композита [29–32]. Авто-рами также была экспериментально доказана связь частоты и амплитуды сигналов с основными механиз-мами накопления повреждений в волокнистых компо-зитах [33; 34]. В ряде работ представлены данные об использовании метода акустической эмиссии при ис-следовании температурного старения и старения в аг-рессивных средах волокнистых композиционных ма-териалов [35–38]. Целью работы является получение и анализ новых опытных данных, иллюстрирующих влияние предвари-тельного термовлажностного воздействия агрессивных сред на несущую способность и остаточную прочность стеклопластика в условиях квазистатического деформи-рования и исследование процессов накопления повреж-дений и разрушения на основе комплексного анализа механических характеристик и параметров сигнала акустической эмиссии.

About the authors

D. S. Lobanov

Perm National Research Polytechnic University

E. M. Lunegova

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Lobanov D.S., Slovikov S.V. Mechanical behavior of a unidirectional basalt-fiber-reinforced plastic under thermomechanical loadings // Mech.Compos. Mater. - 2018 - Vol. 54, no. 3. - P. 351-358
  2. Lobanov D.S., Babushkin A.V., Luzenin A.Yu. Effect of increased temperatures on the deformation and strength characteristics of a GFRP based on a fabric of volumetric weave // Mech.Compos. Mater. - 2018. - Vol. 54, no. 5. - P. 655-664.
  3. Lobanov D.S., Lunegova E.M., Mugatarov A.I. Influence of preliminary thermal aging on the residual interlayer strength and staging of damage accumulation in structural carbon plastic // PNRPU Mech. Bull. - 2021. - No. 1. - P. 41-51.
  4. Lobanov D.S., Zubova E.M. Research of temperature aging effects on mechanical behaviour and properties of composite material by tensile tests with used system of registration acoustic emission signal // Procedia Struct.Integr. - 2019. - Vol. 18. - P. 347-352.
  5. Kablov E.N., Startsev V.O. The Influence of Internal Stresses on the Aging of Polymer Composite Materials: Review // Mech.Compos. Mater. - 2021. - Vol. 57, no. 5. - P. 565-579.
  6. Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных композиционных материалов на его основе часть 4. Натурные климатические испытания полимерных композиционных материалов на основе эпоксидной матрицы / Е.В. Николаев, С.Л. Барботько, Н.П. Андреева, М.Р. Павлов, Д.В. Гращенков // Труды ВИАМ. - 2016. - № 6 (42). - С. 93-108.
  7. de Souza L.R., Marques A.T., d'Almeida J.R.M. Effects of aging on water and lubricating oil on the creep behavior of a GFRP matrix composite // Compos. Struct. - 2017. - Vol. 168. - P. 285-291.
  8. Park S.Y., Choi W.J., Choi H.S. The effects of void contents on the long-term hygrothermal behaviors of glass/epoxy and GLARE laminates // Compos. Struct. - 2010. - Vol. 92, № 1. - P. 18-24.
  9. Исследование свойств наномодифицированных углекомпозитов до и после термовлажностного старения / В.А. Большаков, С.В. Кондрашов, Ю.И. Меркулова, Т.П. Дьячкова, Г.Ю. Юрков, А.В. Ильичев // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 2 (35). - С. 61-66.
  10. Изменение физико-механических и термомеханических свойств базальтопластика в результате климатического старения / А.Н. Блазнов, А.С. Кротов, В.Б. Маркин [и др.] // Южно-Сибирский научный вестник. - 2019. - № 3 (27). - С. 116-120.
  11. Malmstein M., Chambers A.R., Blake J.I.R. Hygrothermal ageing of plant oil based marine composites // Compos. Struct. - 2013. - Vol. 101. - P. 138-143.
  12. Effect of hygrothermal aging on the damage characteristics of carbon woven fabric/epoxy laminates subjected to simulated lightning strike / Y. Li, R. Li, L. Huang, K. Wang, X. Huang // Mater. Des. - 2016. - Vol. 99. - P. 477-489.
  13. Evaluation of tensile strength retention and service life prediction of hydrothermal aged balanced orthotropic carbon/glass and Kevlar/glass fabric reinforced polymer hybrid composites / M. Muralidharan, T.P. Sathishkumar, N. Rajini, P. Navaneethakrishnan, S. Arun Kumar, S.O. Ismail, K. Senthilkumar, S. Siengchin //j. Appl. Polym. Sci. - 2022. - Vol. 139 (6). - 51602.
  14. Experimental research into the effect of external actions and polluting environments on the serviceablity of fiber-reinforced polymer composite materials / D.S. Lobanov, V.E. Vildeman, A.D. Babin, M.A. Grinev // Mech.Compos. Mater. - 2015. - Vol. 51, no. 1. - P. 97-108.
  15. Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades / N. Tual, N. Carrere, P. Davies, T. Bonnemains, E. Lolive // Compos. Part A Appl. Sci. - 2015. - Vol. 78. - P. 380-389.
  16. Davies P., Le Gac P.-Y., Le Gall M. Influence of Sea Water Aging on the Mechanical Behaviour of Acrylic Matrix Composites I // Appl.Compos. Mater. - 2017. - Vol. 24. - P. 97-111.
  17. Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги // Труды ВИАМ. - 2014. - № 7. - C. 9
  18. Развитие методов климатических испытаний материалов для машиностроения и строительства в ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова / С.В. Панин, В.О. Старцев, М.Г. Курс, Е.А. Варченко // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2016. - № 10. - С. 50-61.
  19. Старцев О.В., Лебедев М.П., Блазнов А.Н. Старение полимерных композиционных материалов в нагруженном состоянии // Все материалы. Энциклопедический справочник. - 2020. - № 10. - С. 7-18.
  20. Неразрушающий контроль: справочник: 8 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. Т 7: в 2 кн. Кн. 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии; Кн. 2: Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова [и др.] // Вибродиагностика. - М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.
  21. Степанова Л.Н., Чернова В.В., Кабанов С.И. Анализ модового состава сигналов акустической эмиссии при одновременном тепловом и статическом нагружении образцов из углепластика Т800 // Контроль. Диагностика. - 2018. - № 11. - С. 4-13.
  22. On the use of acoustic emission to identify the dominant stress/strain component in carbon/epoxy composite materials / K.-A. Kalteremidou, D.G. Aggelis, D. Van Hemelrijck, L. Pyl // Mech. Res.Commun. - 2021. - Vol. 111. - P. 103663.
  23. Investigation of the Staging of Damage Accumulation in Polymer Composite Materials during Bending and Tensile Tests / A.A. Bryansky, O.V. Bashkov, D.P. Malysheva, D.B. Solovev // Key Eng. Mater. - 2021. - Vol. 887. - P. 116-122.
  24. Damage mechanisms assessment of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) composites using multivariable analysis methods applied to acoustic emission data / W. Harizi, S. Chaki, G. Bourse, M. Ourak // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 289. - P. 115470.
  25. Damage process in glass fiber reinforced polymer specimens using acoustic emission technique with low frequency acquisition / L. Friedrich, A. Colpo, A. Maggi, T. Becker, G. Lacidogna, I. Iturrioz // Composite Structures. - 2021. - Vol. 256. - P. 113105.
  26. Arumugam V., Saravanakumar K., Santulli С. Damage characterization of stiffened glass-epoxy laminates under tensile loading with acoustic emission monitoring // Compos. B. Eng. - 2018. - Vol. 147. - P. 22-32.
  27. Feature selection and clustering of damage for pseudo-ductile unidirectional carbon/glass hybrid composite using acoustic emission / A. Ichenihi, W. Li, Y. Gao, Y. Rao, A. Ichenihi // Appl. Acoust. - 2021. - Vol. 182. - P. 108184.
  28. Zhao W., Pei N., Xu Ch. Experimental study of carbon/glass fiber-reinforced hybrid laminate composites with torsional loads by using acoustic emission and Micro-CT // Compos. Struct. - 2022. - Vol. 290. - P. 115541.
  29. Barile C., Casavola C., Pappalettera G., Vimalathithan P.K. Damage characterization in composite materials using acoustic emission signal-based and parameter-based data // Compos. B. Eng. - 2019. - Vol. 178. - P. 107469.
  30. Beheshtizadeh N., Mostafapour A., Davoodi S. Three point bending test of glass/epoxy composite health monitoring by acoustic emission // Alex. Eng. J. - 2019. - Vol. 58, is. 2. - P. 567-578.
  31. Experimental and numerical investigation on fracture behavior of glass/carbon fiber hybrid composites using acoustic emission method and refined zigzag theory / I.E. Tabrizi, A. Kefal, J.S.M. Zanjani, C. Akalin, M. Yildiz // Compos. Struct. - 2019. - Vol. 223. - P. 110971.
  32. Groot P.J., Wijnen A.M., Janssen R.B. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites // Compos. Sci. Technol. - 1995. - Vol. 55, no. 4. - P. 405-412.
  33. Tretyakov M.P., Tretyakova T.V., Zubova E.M. Experimental study of the crack growth processes in composite samples // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2216. - P. 040020.
  34. Брянский А.А., Башков О.В. Идентификация структурных повреждений в стеклопластике, подвергнутом термоокислительному старению // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: сб. тез. - 2022. - С. 112-114.
  35. Evaluation of thermally-aged carbon fiber/epoxy composites using acoustic emission, electrical resistance and thermogram / P. Shin, J. Kim, H. Park, Y. Baek, D. Kwon, K.L. DeVries, J. Park // Comp. Struct. - 2018. - Vol. 196. - P. 21-29.
  36. Godin N., Huguet S., Gaertner R. Influence of hydrolytic ageing on the acoustic emission signatures of damage mechanisms occurring during tensile tests on a polyester composite: Application of a Kohonen's map // Composite Structures. - 2006. - Vol. 72, is. 1. - P. 79-85.
  37. Mouzakis D.E., Dimogianopoulos D.G. Acoustic emission detection of damage induced by simulated environmental conditioning in carbon fiber reinforced composites // Engineering Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 210. - P. 422-428.
  38. Акустическая эмиссия в вершине трещины при охлаждении влагонасыщенного композита / О.В. Старцев, В.В. Поляков, Д.С. Салита, М.П. Лебедев // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. - 2020. - Т. 492-493. - С. 157-161.
  39. Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frat. ed Integrita Strutt. - 2022. - Vol. 16 (60). - P. 146-157.

Statistics

Views

Abstract - 110

PDF (Russian) - 65

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Lobanov D.S., Lunegova E.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies