Publication details
Abstracts and keywords
W pracy doktorskiej podjęto tematykę wpływu modyfikacji warstwy wierzchniej metalu na wytrzymałość połączenia metal-kompozyt w laminatach metalowo-włóknistych. W tego typu materiałach powierzchnia rozdziału metal-kompozyt stanowi najbardziej istotną kwestię, decyduje o integralności warstw metalu z kompozytem oraz odpowiada za transfer naprężeń pomiędzy warstwami. Celem pracy było wytypowanie sposobu modyfikacji powierzchni aluminium i tytanu, który zapewni wysoką wytrzymałość połączenia metal-kompozyt w laminatach metalowo-włóknistych, porównywalną z uzyskiwaną po anodowaniu w kwasie chromowym, ale bez zastosowania odczynników i technologii szkodliwych dla środowiska. Przedmiot badań stanowiły laminaty metalowo-włókniste, w których zastosowano warstwy aluminium oraz tytanu i kompozyt o osnowie polimerowej wzmocnionej włóknami węglowymi. Przeprowadzono modyfikację powierzchni metali z zastosowaniem metod mechanicznych, chemicznych, elektrochemicznych oraz warstw przejściowych. Scharakteryzowano morfologię i topografię powierzchni, a także parametry stereometrycznych oraz parametry fizykochemiczne i zdolność modyfikowanej powierzchni do utworzenia wiązań chemicznych. W celu analizy wytrzymałości połączenia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt w badanych laminatach przeprowadzono badania wytrzymałościowe, oceniono wytrzymałość na ścinanie, następnie przeprowadzono analizę odporności na rozwarstwienia w warunkach I i II sposobu pękania. Przeanalizowano morfologię powierzchni zniszczenia ze szczególnym uwzględnieniem powierzchni rozdziału metal-kompozyt, w zależności od zastosowanej metody modyfikacji powierzchni metalu oraz zastosowanego typu obciążenia. W ostatnim etapie badań przeanalizowano zniszczenia laminatów o zmodyfikowanej powierzchni metalu poddanych działaniu obciążeń dynamicznych. Laminaty poddano działaniu obciążeń dynamicznych niskiej prędkości w zakresie energii 2,5; 5 J; 10 J. Następnie przeprowadzono analizę zniszczenia oraz scharakteryzowano mechanizmy zniszczenia. Przeprowadzone badania i analizy pozwoliły na zrealizowanie założonych celów rozprawy i sformułowanie wniosków, a także wskazanie dalszych kierunków badawczych. Badania wykazały, że zastosowane procesy modyfikacji powierzchni metalu (elektrochemiczne, chemiczne, mechaniczne) wpływają na zmianę topografii i morfologii powierzchni oraz w różny sposób wpływają na wytrzymałość połączenia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Na podstawie przeprowadzonych badań wytypowano metody modyfikacji powierzchni metalu, które zapewnią uzyskanie poprawy właściwości adhezyjnych na powierzchni rozdziału metal-kompozyt w laminatach metalowo-włóknistych. Przeprowadzone badania własne i analizy pozwoliły na realizację założonych celów, wnosząc szereg nowych aspektów do dyscypliny inżynierii mechanicznej, dzięki wykorzystaniu i połączeniu wiedzy oraz technik badawczych z zakresu mechaniki materiałów i inżynierii powierzchni. Wzbogacają stan wiedzy dotyczący laminatów metalowo-włóknistych w zakresie modyfikacji powierzchni metalu w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości połączenia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt. Dalsze plany badawcze będą obejmowały analizę wpływu zastosowania nowych technik modyfikacji powierzchni poprzez utlenianie mikroplazmowe na morfologię i topografię powierzchni. Planowana jest analiza wpływu oddziaływania warunków środowiskowych oraz wpływ na wytrzymałość połączenia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt w laminatach metalowo-włóknistych.
The thesis deals with the effect of metal surface layer modification on the adhesion strength of the metal-composite interface in fibre-metal laminates. In this type of material, the metal-composite interface is the most critical issue as it determines the integrity of the metal layers with the composite and is responsible for the stress transfer between the layers. The aim of this study was to select a method of modifying the surfaces of aluminium and titanium that would provide high adhesion strength at the metal-composite in fibre-metal laminates, comparable to that obtained after chromic acid anodizing, but without the use of environmentally harmful reagents and technologies. The subjects of the study were aluminium-carbon fiber reinforced polymer laminates and titanium-carbon fiber reinforced polymer laminates. The metal surface modification was carried out using mechanical, chemical, electrochemical methods and transition layers. The morphology and topography of the surface were characterised, as well as the stereometric and physicochemical parameters and the ability of the modified surface to form chemical bonds. In order to analyse the strength at the metal-composite interface in the tested fibre metal-laminates, strength tests were carried out, the shear strength was evaluated, followed by the analysis of the delamination resistance under the conditions of fracture mode I and II. The morphology of the failure surface with particular reference to the metal-composite interface was examined, depending on the metal surface modification method used and the type of loading applied. In the final stage of the study, the failure of laminates with a modified metal surface subjected to low-velocity impact was analysed. The laminates were subjected to low-velocity dynamic loads in the energy range of 2.5; 5 J; 10 J. The failure analysis was then carried out and the failure mechanisms were characterised. The research and analysis carried out enabled the thesis to achieve its stated objectives, formulate conclusions and indicate further research directions. The study showed that the applied metal surface modification process changes the surface topography and morphology and affects the surface bond strength of the metal-composite separation in different ways. On the basis of the research carried out, methods of metal surface modification have been selected which will ensure the improvement of the strength at the metal-composite interface in fibre-metal laminates. The in-house research and analysis carried out has achieved its objectives, bringing a number of new aspects to the discipline of mechanical engineering by utilising and combining knowledge and research techniques from material mechanics and surface engineering. They add to the state of the art of fibre-metal laminates in terms of metal surface modification to achieve high adhesion at the metal-composite interface. Further research plans include an analysis of the effects of applying new surface modification techniques via microarc oxidation on surface morphology and topography. An analysis of the influence of environmental conditions and the effect on the adhesion strength at the metal-composite interface in aluminium and titanium based fibre-metal laminates is planned.
