| Sažetak | Kompoziti su materijali koji kombiniraju dva ili više materijala, s ciljem dobivanja poželjnih svojstava, naročito u pogledu specifičnih svojstava u odnosu na masu. Međutim, oni imaju i svoje nedostatke. Višeslojni kompozitni materijali skloni su delaminaciji. Delaminacija se događa kada pukotina počne rasti između dva sloja. Kao posljedica toga se višeslojni kompoziti ne ponašaju jednako pri lomu kao monolitički materijali.
Predstavljen je koncept modova pri lomovima materijala. čisti mod I se događa kada je pukotina opterećena normalno, na vlak. Mod II predstavlja smično naprezanje unutar ravnine, a mod III smično naprezanje izvan ravnine. Oni mogu opteretiti pukotinu u čistom obliku ili u kombinacijama moda I s jednim od druga dva u različitim omjerima. U ovom radu razmatrani su razni omjeri mješovitog moda I i II.
Za većinu inženjerskih materijala, mod I predstavljat će kritični slučaj, a pukotina će se izviti u mod I na vrhu. Slojevi kompozita predstavljaju ograničenje za to te će stoga pukotina nastaviti propagirati u mješovitom modu. U nekim slučajevima će se na taj način povisiti otpornost materijala na inicijalizaciju pukotine, a u nekima će se sniziti. Zbog navedenog se mod I ne može uzeti kao konzervativni slučaj i potrebno je istraživati ponašanje tih materijala pod opterećenjima različitih mješovitosti modova.
Razne analitičke teorije predlažu različite načine podjele modova. Možda su najznačajnije Williamsova, poznata kao globalna, i lokalna, koju su predložili Hutchinson i Suo. Međutim, velika su neslaganja između teorija te se niti jedna postojeća analitička teorija ne podudara univerzalno s eksperimentalnim istraživanjima. S ciljem objedinjavanja eksperimentalnih ispitivanja, predložena je poluanalitička analiza kohezijske zone SACA (semi-analytical cohesive zone analysis) na osnovi numeričke analize koristeći model kohezijske zone (Conroy, 2016). Eksperimentalni podaci sugeriraju učinkovitost i točnost ove metode.
Zrakaste geometrije uzoraka uspostavile su se najprikladnijima za eksperimentalno ispitivanje lomova. Varirajući omjer momenata na krakove i/ili omjer visina krakova, moguće je postići različite omjere modova. Mijenjajući omjer momenata, neposredno se može dobiti omjer modova, ali s obzirom na to da se ispitivanja s varirajućim visinama krakova mogu lako vršiti na standardnim strojevima za ispitivanja koja su učestala i u industriji, u interesu je uspostaviti metodu s kojom će biti moguće odrediti omjer modova za takva ispitivanja.
U sklopu ovog rada najprije su izvršena ispitivanja na simetričnim uzorcima sa standardnim testovima, a zatim na simetričnim uzorcima uz digitalnu korelaciju slika DIC (eng. Digital Image Correlation) te na asimetričnim uzorcima, varirajući mješovitost modova mijenjanjem omjera visina zraka uzorka uz DIC.
Ispitivanja vršena su na standardnom stroju za ispitivanja, testnom metodom koja ima kontroliran vertikalni pomak. U standardnim testovima na simetričnim uzorcima, pukotina se prati mikroskopom te kada dostigne označenu liniju zapisuje se vrijeme. Na osnovu tih podataka i izmjerenog dijagrama pomak - sila, računa se otpornost materijala za mod I - DCB (eng. double cantilever beam), mod II - ELS (end-loaded split) te mje\v{s}oviti mod - FRMM (eng. fixed ratio mixed mode).
Za asimetrične uzorke je korištena metoda AFRMM (eng. asymmetric fixed ratio mixed mode), u kojoj je uzorak postavljen na isti način kao simetrični u FRMM metodi, s tim da su krakovi različite visine.
Kompozitni materijal te uzorci izrađivani su na licu mjesta, ručno. Za dobivanje višeslojnog kompozita, korišteni su slojevi predimpregriranih istosmjernih ugljičnih vlakana u epoksi smoli. Iz trake koja se drži na -18°C, kako može biti pohranjena do godinu dana, režu se listovi prethodno definirane veličine. Nakon odmrzavanja mogu se lijepiti jedan na drugi. Nakon dodavanja zaštitnih slojeva i brtvene trake, pripremljeni kompozit vakuumira se oko 45 minuta, te se stavlja u peć pod tlakom. Prvo se 40 minuta zagrijava do temperature od 110°C, na kojoj ostaje sat vremena, nakon čega temperatura ponovo raste do 180°C te se zadržava na njoj dva sata nakon čega se hladi prirodno. Kada se ohladi ispod 60°C, ukloni se pritisak, te se ostavlja da se hladi kako bi kompozitna ploča bila pogodne temperature za rukovanje. Tada se gotovi materijal reže u uzorke definirane veličine te se dodaju blokovi koji se pričvršćuju na aparat za testiranje.
Za određen broj uzoraka svih korištenih geometrija uzoraka primijenjena je metoda digitalne korelacije slike, za koju je bilo potrebno pripremiti uzorke sa sitnim česticama bijelog spreja na njihovoj crnoj površini, kako bi softver mogao pratiti istezanje površine na temelju točaka mreže koja se odredi za korelaciju. Za tu analizu korišten je program otvorenog koda. U radu su grafički prikazani pomaci i istezanja. |
| Sažetak (engleski) | Composite materials combine two or more different materials, in order to obtain desirable properties. They are widely used in technical applications. The fracture mechanics of laminate composites display different behaviours than in monolithic materials, where mode I fracture is considered the critical case. This work is concerned with mixed modes of mode I and mode II fractures in laminate carbon fibre composite materials. Analytical partitioning theories on mixed mode fracture in composites show disagreements and no theory showed universal correspondence to experimental data. A semi-analitical cohesive zone analysis has been proposed by Conroy and the experimental data suggests good correspondence. In this thesis, digital image correlation is used with both standard tests on symmetrical samples and asymmetrical samples to produce different mode mixities, by varying the beam height ratio. Varying the beam height ratio makes it possible to perform tests with different mode mixities on standard testing machines, which are common in the industry as well. Tests were performed using a unidirectional composite manufactured from preimpregnated carbon fibre in epoxy resin. The samples have been speckled for DIC and an open-source Matlab based code was used for the analysis of the images. |
