Development of high performance damage tolerant, damage indicating hybrid composites  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
121121
Type PD
Principal investigator Czél, Gergely
Title in Hungarian Nagy teljesítményű károsodást tűrő, jelző hibrid kompozitok továbbfejlesztése
Title in English Development of high performance damage tolerant, damage indicating hybrid composites
Keywords in Hungarian kompozit, károsodás, szénszál, epoxy
Keywords in English composite, damage, carbon fibre, epoxy
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Plastics technology
Fibre Technology (Council of Physical Sciences)20 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2016-10-01
Closing date 2019-09-30
Funding (in million HUF) 15.264
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A 21. század járműiparának egyik legnagyobb kihívása az EU stratégiai céljaival egyetértésben az üzemanyag fogyasztás és a káros anyag kibocsátás csökkentése, amely például a járművek saját tömegének csökkentésével érhető el. A járművek új, gazdaságos és környezetkímélő generációjának kifejlesztéséhez nagy szilárdságú és kis sűrűségű anyagokra van szükség. A nagy teljesítményű üveg vagy szénszál erősítésű polimer kompozitok kivételesen magas fajlagos szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek, gyengeségük azonban az elégtelen károsodás tűrés, a hirtelen tönkremenetel megfelelő figyelmeztetés és maradó teherviselő képesség nélkül, amely számos feladatra alkalmatlanná teszi ezeket az anyagokat. A károsodást tűrő kompozitok a fémekéhez hasonló fokozatos tönkremenetelük és megemelt törési nyúlásuk révén a hagyományos kompozitokhoz képest biztonságos alternatívát jelenthetnek. További előnyük a károsodásra utaló egyértelmű figyelmeztetés a tönkremenetel előtt. A pályázó korábban károsodást tűrő viselkedést demonstrált egy irányban erősített vékony rétegű hibrid kompozitokban. A kutatási program célja, hogy a sikeres, egy irányban erősített típusokból kiindulva több irányban erősített anyagokat dolgozzunk ki és vizsgáljunk. A károsodást tűrő kompozitok jelentősen szélesíthetik a kompozitok alkalmazási területeit ide értve a jármű- és az építőipart. Továbbá a tervezési nyúlás határok a károsodást tűrő kompozitok biztonságosabb tönkremenetelének köszönhetően jelentősen kitolódhatnak ezzel csökkentve az alkatrészek tömegét. A vékony rétegű hibrid kompozitok károsodás-jelző és öngyógyító funkcióinak felderítő vizsgálatai a program sokat ígérő, érdekes részeit képezik.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatási program célja a szívós, biztonságos tönkremenetel bevezetése, mint a nagy teljesítményű kompozit anyagok új, alapvető tulajdonsága. A program kulcskérdése, hogy lehetséges-e kompozit anyagok esetén a magas szilárdság és merevség megőrzése mellett a törési nyúlás növelése, a tönkremenetel módjának és a károsodás tűrésnek a javítása, a katasztrofális tönkremenetelnek a merevség (és integritás) fokozatos leépülésével történő felcserélése útján, valamint adható-e egyértelmű figyelmeztetés a tönkremenetel előtt. A program célja részletes vizsgálat sorozatok eredményeképpen a károsodás tűrés és a teljesítmény között fennálló ellentétes kapcsolat fő paramétereinek megismerése, optimum keresése. Fontos kérdés, hogy az egy irányban erősített vékony rétegű hibrid kompozitok kedvező feszültség-nyúlás válasza átültethető-e a gyakorlat szempontjából jelentősebb, több irányban erősített konfigurációk esetére. A vékony rétegű hibrid kompozitok ígéretes károsodás-érzékelő és öngyógyító funkcióinak vizsgálatai szintén a program szerves részei. Vizsgálatra érdemesek a szívós, vékony rétegű hibrid kompozitok teljesítményének növelésére alkalmas réteg határfelület módosító eljárások is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A fémekéhez hasonló kedvező tönkremenetelt mutató szívós kompozit anyagok kivételes figyelmet érdemelnek, mivel jelentősen kiszélesíthetik a nagy teljesítményű kompozitok alkalmazási területeit. A hagyományos kompozit anyagok nem terjedtek el bizonyos kritikus felhasználási területeken, pl. személyautó alkatrészek és építőipar, mert nem rendelkeznek a fémek esetén széles körben kiaknázott, azok szívós viselkedéséből adódó belső biztonsági tartalékkal. Amennyiben a nagy szilárdságú és kis sűrűségű szénszálas kompozitok biztonságosabb, károsodást tűrő változata elérhetővé válna, az jelentős tömeg és üzemanyag fogyasztás csökkenést tenne lehetővé a közúti és vasúti közlekedésben/fuvarozásban. A biztonságosabb tönkremenetel megváltoztathatná a kompozitok nagyon óvatos tervezési gyakorlatát az alacsony tervezési határ nyúlások eltolásával a repülőgép iparban és sok más területen. Ez csökkentheti a túlméretezés miatti tömeg felesleget, amire a repülőgép iparban a katasztrofális tönkremenetel mindenáron történő elkerülése miatt van szükség, és véső soron csökkentheti az üzemanyag fogyasztást és a káros anyag kibocsátást. A vékony rétegű hibrid kompozitok ön-érzékelő, károsodás-jelző funkciójában is nagy lehetőség rejlik, mivel kritikus alkatrészek biztonságosabbá tehetők azáltal, hogy egyértelműen jelzik károsodásukat a tönkremenetel előtt. Az érzékelő funkció kombinálható a például ütés hatására keletkezett rétegelválások öngyógyításával, vékony rétegű hibrid kompozitok esetén. Ilyen módon meghosszabbítható egyes kevésbé kritikus alkatrészek pl. járművek belső burkolatainak, karosszéria elemeinek élettartama, jelentős karbantartási és üzemeltetési költséget takarítva meg.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A 21. század járműiparának egyik legnagyobb kihívása az EU stratégiai céljaival egyetértésben az üzemanyag fogyasztás és a káros anyag kibocsátás csökkentése, amely például a járművek saját tömegének csökkentésével érhető el. A járművek új, gazdaságos és környezetkímélő generációjának kifejlesztéséhez nagy szilárdságú és kis tömegű alkatrészekre van szükség. A szálakból és hőre nem lágyuló műgyantákból készült úgynevezett kompozit anyagok nagy szilárdságúak, de általában katasztrófaszerűen mennek tönkre, előzetes figyelmeztetés nélkül. Az elégtelen károsodás tűrés azonban alkalmatlanná teszi őket olyan felhasználási területeken, ahol a terhelések kiszámíthatatlanok és a hirtelen tönkremenetel elfogadhatatlan. A pályázó a kompozitok biztonságos, fokozatos tönkremenetelt és a tönkremenetel előtt figyelmeztetést biztosító új generációjának kifejlesztését tűzte ki célul. A kutatás során alkalmazni kívánt módszer az erősítő szálak típusainak keverése (hibridizálás), illetve a kompozitok rétegfelépítésének alapos tervezése útján a fémek biztonságos tönkremenetelének utánzása. A károsodást tűrő egy irányban erősített hibrid kompozitok terén elért korábbi sikerek ezen anyagok továbbfejlesztésére ösztönöznek minket, hogy lehetségessé váljon az előnyös viselkedés minden irányban történő kihasználása. A kifejlesztésre és vizsgálatokra váró új anyagok jelentősen szélesíthetik a kompozitok alkalmazási területeit például a járműipar és az építőipar irányába. A kompozitokra jellemző túl óvatos tervezési gyakorlatot is megváltoztathatja a károsodást tűrő kompozitok biztonságosabb tönkremenetele, amely végső soron tömeg és üzemanyag felhasználás csökkenéshez vezethet.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

One of the biggest challenges for the 21. century’s transportation sector in line with the strategic aims of the EU is to improve fuel economy and reduce carbon footprint, which may be done by reduction of the gross weight of the vehicles. The development of the next generation of economic and environmentally friendly vehicles requires high strength and low density materials. High performance carbon or glass fibre reinforced polymer matrix composites offer exceptional specific modulus and strength, but suffer from poor damage tolerance, sudden and brittle failure, with no warning and insufficient residual load-bearing capacity which renders them unsuitable for a range of applications. Damage tolerant composites provide a safe alternative to conventional ones showing a progressive failure character and improved failure strains, similar to those of metals. Another significant benefit is a clear sign of damage before final failure. The applicant demonstrated damage tolerance in thin-ply unidirectional hybrid composites under tension recently. The key challenge of the programme is to develop and characterise more application-ready versions. Quasi-isotropic damage tolerant composites could potentially offer a notable increase in the scope of composite applications including transportation and construction sectors. A significant shift in design limits leading to lower component weights could potentially take place as well due to the safer failure character of damage tolerant composites. Exploratory studies into the interesting damage-sensing and self-healing multi-functionality of thin-ply hybrid composites are also parts of the proposed programme.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The proposed research programme aims at introducing damage tolerance and safe failure as new key features of high performance composites. The key question of the programme is whether it is possible to increase the strain to final failure, improve the failure character by replacing catastrophic failure with progressive, gradual loss of stiffness and integrity, and provide a clear warning before failure while keeping the high stiffness and strength of composite materials. After a detailed assessment, the trade-off between ductility and performance, and the possible optimum is to be understood in the course of designing and characterising the new materials. More specific question of the programme is whether the favourable damage tolerance of unidirectional thin-ply hybrid composites can be transferred to more application-ready configurations. The potential in the self-sensing and self-healing functionality of thin-ply hybrid composites is an interesting topic as well to be studied. The potential of interfacial modification for improving the performance of ductile thin-ply hybrid composites is also worth investigating.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Damage tolerant composites providing similar favourable failure character to that of metals are of exceptional interest because they can extend the scope of high performance composites. Conventional composites are unsuitable for critical applications such as automotive and construction because of the lack of intrinsic safety margin by means of ductility, exploited widely in metals such as steel and aluminium. If low density and high strength carbon fibre composites become available in safer damage tolerant versions it will offer significant weight and cost saving capacity through fuel economy in the road and railway transportation sector. Safer failure could also change the very cautious design practice for composite materials by shifting the low design strain limits in several critical applications including aerospace. This could reduce the significant extra weight of aircraft structures due to oversizing which is necessary to be very safe against catastrophic failure and could result in significant reduction in carbon footprint and fuel cost over the lifetime. The potential in self-sensing and damage-indicting functionality of ductile thin-ply hybrid composites can also be widely exploited to make critical components safer by providing clear signs of damage as a warning before failure. This feature can be combined with the self-healing of interfacial damage e.g. due to impact loads in ductile thin-ply hybrid composites to extend the lifetime of less critical components such as interior covers or body panels of vehicles and therefore reduce their operational cost.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

One of the biggest challenges for the 21. century’s transportation sector in line with the strategic aims of the EU is to improve fuel economy and reduce emissions, which may be done by reduction of the gross weight of vehicles. The development of the next generation of economic and environmentally friendly vehicles requires high strength and low weight components. So-called composite materials consisting of fibres and plastic resins offer high strength but usually fail in a catastrophic way without sufficient warning. This unsafe failure character renders them unsuitable for several applications where loads are unpredictable and sudden failure cannot be tolerated. This research programme aims at developing a new generation of composites featuring safe, gradual failure, with significant margin between a detectable warning and final failure. Our approach is to mix (hybridise) fibre types and design the layered architecture of our new materials to mimic the safe failure of metals. Our previous success in developing hybrid composites showing damage tolerance in one direction encourages us to develop more advanced types which can be loaded in any directions. Our new materials could potentially offer a notable increase in the scope of composite applications including transportation and construction sectors. A significant shift in the conservative design limits leading to lower component weights and therefore operational cost savings could potentially take place as well due to safer failure character of the new damage tolerant composites.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatási program során továbbfejlesztettük illetve új vizsgálati módszerek segítségével alaposabban megismertük az egy irányban erősített szívós viselkedésű hibrid kompozitokat. Kifejlesztettünk több irányban erősített típusokat, amelyek gyakorlati jelentősége jelentősen meghaladja a korábbi egy irányban erősített változatokét. Igazoltuk, hogy a húzó terhelés esetén megfigyelt szívós viselkedést eredményező károsodási formák nyomó terhelés esetén is aktívak, így az új anyagok alkalmasak mindkét irányú terhelés felvételére. Kiaknáztuk az üveg/szénszál erősítésű szívós viselkedésű hibrid kompozitok károsodás jelző funkcióját, a technológia működését közepes méretű alkatrészeken is igazoltuk hajlító terhelés mellett. Felderítő kutatásokat végeztünk a szívós viselkedésű hibrid anyagok határfelületi tulajdonságainak javítására különböző fóliák és nanoszálas paplan alkalmazásával. A hőre lágyuló fóliák ígéretesnek bizonyultak a túlterhelés során keletkezett rétegelválások javítására is.
Results in English
The unidirectional pseudo-ductile hybrid composites were developed and characterised further during the research programme. New multi-directional types were developed which have significantly higher merit in applications than the unidirectional ones. It was confirmed, that the damage mechanisms generating pseudo-ductility in tension are also active in compression, therefore the new materials are suitable for reversed loading. The visual damage indicating feature of glass/carbon hybrid composites was exploited and the technology was demonstrated on medium size components under bending load. Exploratory research was executed to improve the interfacial properties of the pseudo-ductile hybrid materials using different films and a nanofibre mat. The applied thermoplastic films are also promising for repairing the delamination damage accumulated during overload.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121121
Decision
Yes





 

List of publications

 
Michael R Wisnom, M. Asun Cantera, Gergely Czél, Meisam Jalalvand: New Approaches to Quantifying Tensile Strength Variability and Size Effects in Unidirectional Composites, Proceedings of the American Society for Composites— 32. Technical Conference. West Lafayette (IN), USA, 2017.10.23-10.05., DEStech Publications ISBN:978-1-60595-418-9, 2017
Rev Tamas, Jalalvand Meisam, Fuller Jonathan, Wisnom Michael R., Czel Gergely: A simple and robust approach for visual overload indication - UD thin-ply hybrid composite sensors, COMPOSITES PART A-APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING 121: pp. 376-385., 2019
Suwarta Putu, Fotouhi Mohamad, Czel Gergely, Longana Marco, Wisnom Michael R.: Fatigue behaviour of pseudo-ductile unidirectional thin-ply carbon/epoxy-glass/epoxy hybrid composites, COMPOSITE STRUCTURES 224: UNSP 110996, 2019
PUTU SUWARTA, GERGELY CZÉL, MOHAMAD FOTOUHI, JAKUB RYCERZ and MCHAEL R. WISNOM: Pseudo-ductility of Unidirectional Thin Ply Hybrid Composites in Longitudinal Compression, Proceedings of the American Society for Composites— 33. Technical Conference, September 24-26, 2018. SEATTLE USA pp. 1-10., 2018
TAMAS REV, GERGELY CZÉL and MICHAEL R. WISNOM: A Novel Test Method to Induce Bi-axial Stress States in Thin-ply Carbon Composites Under Combined Longitudinal Tension and Transverse Compression, Proceedings of the American Society for Composites— 33. Technical Conference, September 24-26, 2018. SEATTLE USA pp. 1-10., 2018
Csallány Enikő Krisztina, Czél Gergely: Rendezett nem folytonos szálakkal erősített, nagy teljesítményű polimer kompozitok mechanikai tulajdonságai nyomó terhelés esetén, POLIMEREK 5: (1) pp. 388-392., 2019
Gergely Czél, Márton Bugár-Mészáros, Michael R. Wisnom: THE COMBINED EFFECT OF MOISTURE AND TEST TEMPERATURE ON THE PSEUDO-DUCTILITY OF THIN-PLY HYBRID COMPOSITES, 22. International Conference on Composite Materials (ICCM22), Melbourne, Australia, 2019
Czél Gergely, Jalalvand Meisam, Wisnom Michael R: Hybrid specimens eliminating stress concentrations in tensile and compressive testing of unidirectional composites, COMPOS PART A-APPL S 91: 436-447, 2016
Gergely Czél, Márton Bugár-Mészáros, Michael R. Wisnom: The effect of temperature on the pseudo-ductility of thin-ply hybrid composites, Proceedings of the 18th European Conference on Composite materials, ECCM18 . Athens, Greece, 2018.06.24-.06.26. pp. 1-8., 2018
Gergely Czél, Tamas Rev, Meisam Jalalvand, Mohamad Fotouhi, Marco L. Longana, Oliver J. Nixon-Pearson, Michael R. Wisnom: Pseudo-ductility and reduced notch sensitivity in multi-directional all-carbon/epoxy thin-ply hybrid composites, COMPOS PART A-APPL S 104: pp. 151-164., 2018
Michael R Wisnom, Gergely Czél, Mohamad Fotouhi, Jonathan Fuller, Meisam Jalalvand, Tamas Rev, Xun Wu: Reduced tensile notch-sensitivity in pseudo-ductile thin-ply composites, Proceedings of the 18th European Conference on Composite materials, ECCM18 . Athens, Greece, 2018.06.24-06.26. Kiadvány: pp. 1-7., 2018
Czel G, Jalalvand M, Wisnom MR, Czigany T: Design and characterisation of high performance, pseudo-ductile all-carbon/epoxy unidirectional hybrid composites, COMPOS PART B-ENG 111: 348-356, 2017
Gergely Czél, Putu Suwarta, Meisam Jalalvand, Michael R. Wisnom: INVESTIGATION OF THE COMPRESSION PERFORMANCE AND FAILURE MECHANISM OF PSEUDO-DUCTILE THIN-PLY HYBRID COMPOSITES, In: Shanyi D, Leng J Shanyi D, Leng J (szerk.) (szerk.) ICCM21 . Xi'an, Kína, 2017.08.20-2017.08.25. Kiadvány: Xi'an: 2017. pp. 1-8., 2017
Putu Suwarta, Mohamad Fotouhi, Gergely Czél, Michael R. Wisnom: FATIGUE BEHAVIOUR OF PSEUDO-DUCTILE THIN PLY HYBRID COMPOSITES, In: Shanyi D, Leng J Shanyi D, Leng J (szerk.) (szerk.) ICCM21 . Xi'an, Kína, 2017.08.20-2017.08.25. Kiadvány: Xi'an: 2017. pp. 1-9., 2017
Tamás Rév, Gergely Czél, Meisam Jalalvand, Michael R. Wisnom: UNIDIRECTIONAL HYBRID COMPOSITE OVERLOAD SENSORS, In: Shanyi D, Leng J Shanyi D, Leng J (szerk.) (szerk.) ICCM21 . Xi'an, Kína, 2017.08.20-2017.08.25. Kiadvány: Xi'an: 2017. pp. 1-9., 2017




Back »