Publication details
Abstracts and keywords
W monografii przedstawiono dotychczas niewystarczająco scharakteryzowaną problematykę kształtowania struktury i właściwości powierzchni rozdziału metal-kompozyt w laminatach metalowo-włóknistych. Celem badawczym pracy było przedstawienie zależności pomiędzy strukturą warstwy wierzchniej metalu a adhezją na powierzchni rozdziału metal-kompozyt, a także określenie roli powierzchni międzyfazowej w procesie zniszczenia laminatów w złożonym stanie obciążenia (obciążenia dynamicznego z niską prędkością). Wiązało się to z identyfikacją morfologii warstw wierzchnich i charakteru ich oddziaływania z kompozytem włóknistym w zależności od sposobu modyfikacji powierzchni metalu. Przedmiotem badań były laminaty metalowo-włókniste z naprzemiennie ułożonymi warstwami metalu (stop aluminium 2024-T3 i czysty technicznie tytan cpTi grade 2) oraz kompozytu o osnowie epoksydowej wzmacnianego ciągłymi włóknami węglowymi. Przygotowanie powierzchni przeprowadzono poprzez wytworzenie warstw tlenkowych w procesie elektrochemicznym – utleniania anodowego w kwasie chromowym i alternatywnie siarkowym oraz w procesie chemicznym jaki stanowiła obróbka fosforanowo-fluorkowa. Badania wykazały, że struktura, właściwości fizykochemiczne, w tym głównie charakterystyka porów odgrywają kluczową rolę we właściwościach połączenia adhezyjnego na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Dla uzyskania połączenia o oczekiwanych właściwościach adhezyjnych na powierzchni rozdziału metal-kompozyt korzystne jest zastosowanie warstwy tlenkowej utworzonej w procesie anodowania w kwasie chromowym. Właściwości te wynikają z cech fizykochemicznych nadawanych powierzchni aluminium. Wysoka wartość energii powierzchniowej, łatwość zwilżania, nano-chropowatość, porowata struktura zapewnia możliwość tworzenia obszaru międzyfazowego i redystrybucję naprężeń na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Powstały na powierzchni rozdziału metal-kompozyt obszar międzyfazowy jest połączeniem oddziaływań mechanicznych oraz chemicznych. W pracy wykazano, że istnieje korelacja pomiędzy topografią i morfologią warstwy wierzchniej modyfikowanej poprzez odpowiednie procesy przygotowania a odpornością na rozwarstwienia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Odporność na rozwarstwienia można uszeregować w kolejności (od najwyższej do najniższej): powierzchnia stopu aluminium poddana procesowi anodowania w kwasie chromowym, powierzchnia stopu aluminium poddana procesowi anodowania w kwasie siarkowym, powierzchnia tytanu poddana obróbce fosforanowo-fluorkowej. Przeprowadzane badania odporności na obciążenia dynamiczne doświadczalnych laminatów metalowo-włóknistych potwierdzają, że przygotowanie powierzchni metalu, a tym samym kształtowanie powierzchni rozdziału metal-kompozyt ma bardzo istotny wpływ na charakterystykę zniszczenia laminatów. Odnotowano różnice w zależności od rodzaju badanych laminatów oraz sposobu przygotowania powierzchni metalu, a tym samym właściwości adhezyjnych w układzie metal-kompozyt. Dominującymi formami zniszczenia są pęknięcia włókien i osnowy a w szczególności rozwarstwienia na powierzchni rozdziału włókno wzmacniające-osnowa oraz rozwarstwienia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Krytycznym elementem zniszczenia w laminatach metalowo-włóknistych, obok słabej adhezji na powierzchni rozdziału metal-kompozyt, jest słaba adhezja na powierzchni rozdziału włókno wzmacniające-osnowa prowadząca do powstania rozszczepień i rozwarstwień wpływając ostatecznie na zniszczenie laminatu jako całości. W kształtowaniu laminatów metalowo-włóknistych, a szczególnie połączenia adhezyjnego na powierzchni rozdziału metal-kompozyt istotnym jest zastosowanie odpowiedniej techniki wytwarzania laminatów. Zastosowana metoda autoklawowa pozwala na uzyskanie wysokojakościowych laminatów metalowo-włóknistych charakteryzujących się jednorodną strukturą (zarówno w międzywarstwach kompozytowych jak i na powierzchni rozdziału metal-kompozyt), bez obecności nieciągłości w postaci porowatości i rozwarstwień. Niniejsza monografia wzbogaca istniejący stan wiedzy w zakresie zaawansowanych materiałów, jakimi są laminaty metalowo-włókniste z włóknami węglowymi i może stanowić podstawę do dalszych prac badawczo-rozwojowych w zakresie kształtowania powierzchni rozdziału metal-kompozyt celem otrzymania połączenia adhezyjnego o pożądanych właściwościach wytrzymałościowych i odpowiedniej trwałości, rozwoju technologii laminatów oraz opracowania adekwatnych kryteriów ich zniszczenia.
This monograph describes the so far insufficiently characterised problem of structure and surface properties creation of metal-composite interface in fibre metal laminates. The purpose of the research was to determine the correlation between the structure of the surface layer of metal and the adhesion on the metal-composite interface and to determine the role of the interface in the process of failure of laminates under a complex loading state (low-velocity impact). This involved the identification of the morphology of surface layers and of the character of correlation thereof with fiber reinforced polymer, depending on the method of the metal layer modification. FML with alternate metal layers (2024-T3 aluminium alloy and cpTi commercial pure titanium grade 2) and carbon fiber reinforced polymer were the subject of the analysis. The surface was prepared by the creation of oxide layers in an electrochemical process of anodic oxidation in chromic, and optionally sulphuric, acid and in the chemical process of fluoride–phosphate treatment. The analysis indicated that the structure, physicochemical properties, mainly including the characteristics of pores, are vital for adhesive bond properties on the metal-composite interface. In order to achieve a bond with the expected adhesive properties on the metal-composite interface it is beneficial to use an oxide layer created in the process of anodising in chromic acid. The properties result from physicochemical properties obtained by the aluminium layer. High surface energy, good wettability, nano-roughness, porous structure enable the formation of an interface area and the redistribution of stress on the metal-composite interface. The interfaced area formed on the metal-composite interface is a combination of mechanical and chemical interactions. This paper argues the existence of a correlation between the topography and morphology of the surface layer modified by relevant preparing processes and the resistance to delamination on the metal-composite interface. The resistance to delamination can be put in the following order (highest to lowest): aluminium alloy surface anodised in chromic acid, aluminium alloy surface anodised in sulphuric acid, titanium surface after fluoride–phosphate treatment. The tests for resistance to impact conducted on the subject FML confirm that the preparation of the metal surface and the consequent creation of the metal-composite interface significantly affects the characteristics of the failure of laminates. Differences occurred depending on the type of the tested laminates and the method of metal surface preparation and thus, adhesive properties in the metal-composite structure. Dominant failure forms include fibre and matrix cracks and delamination on the fibre-matrix interface and delamination on the metal-composite interface in particular. The critical element of failure in FML, besides low adhesion on the metal-composite interface, is low adhesion on the fibre-matrix interface leading to delamination and ultimately inducing the failure of the laminate as a whole. FML creation requires the use of the proper technology of laminate manufacturing, especially when it comes to adhesive bonds within the composite-metal interface. The employed autoclave method enables achieving high-quality FML exhibiting a uniform structure (both in the composite interlayers and on the metal-composite interface), without any discontinuities such as porosity and delamination. This monograph improves the current state of knowledge regarding advanced materials, namely fibre metal laminates with carbon fibres, and may serve as a basis for further research and development in the field of metal-composite interface creation aimed at achieving an adhesive bond with the desired strength properties and the proper durability, as well as at the development of laminate technology and determining adequate criteria of the failure of laminates.
