Development of ductile polimer composites with designable interfacial adhesion  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124352
Type FK
Principal investigator Szebényi, Gábor
Title in Hungarian Tervezhető határfelületi adhéziójú, szívós polimer kompozitok fejlesztése
Title in English Development of ductile polimer composites with designable interfacial adhesion
Keywords in Hungarian polimer kompozit, határfelületi adhézió, szívósságnövelés
Keywords in English polymer composite, interfacial adhesion, ductility improvement
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Plastics technology
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Karger-Kocsis, József
Tamás-Bényei, Péter
Starting date 2017-12-01
Closing date 2022-05-31
Funding (in million HUF) 25.710
FTE (full time equivalent) 2.92
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 kutatás fő célja újszerű szívós, gyógyításra képes hosszúszál erősítésű polimer kompozitok létrehozása az alábbi célkitűzések teljesítésével:
• Különböző, 3D nyomtatásra, elektrosztatikus szálképzésre és szórásra épülő rétegközi mintázat létrehozására alkalmas technológiák kifejlesztése termoplasztikus határréteg módosító anyaggal.
• A megnövekedett szívósságot eredményező tervezhető határfelületi tulajdonságok és hatásmechanizmusaik alapos vizsgálata, melynek segítségével mélyrehatóan megismerhető a határfelületi adhézió és a kompozitok szívóssága közötti összefüggésrendszer.
• A határfelületi mintaként elhelyezett termoplasztikus határfelületi módosító anyag megolvasztásán majd a repedések kitöltésén és a repedéscsúcsok tompításán alapuló gyógyítási mechanizmus lehetőségének és hatásosságának vizsgálata.
A kutatási projekt a határfelületi adhézió kompozitok és a szálerősítésű kompozitok szívóssága közötti összefüggésre és a háromkomponensű térhálós/hőre lágyuló a mátrixban és a határfelületen található repedések feltöltésén és a repedéscsúcsok tompításán alapuló gyógyítható kompozitok létrehozásának lehetőségére vonatkozó alapkutatást foglal magába.

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 kutatás alapvető feltevése, hogy a hosszúszál erősítésű térhálós mátrixú kompozitok szívóssága javítható-e a határfelületi adhézió módosításával. A kutatás során számos fontos, a többfázisú rendszerekben az adhézió szerepére vonatkozó kérdés megválaszolásra kerül: Mi az adhéziónak az az optimális szintje, ami biztosítja a szívós viselkedést az összetevők egymáshoz képesti elcsúszásának biztosításával, de nem veszélyezteti a jó terhelésátadás biztosította magas teherbírást? Hogyan befolyásolják a létrehozott határfelületi mintázatok a kompozit szerkezet globális és lokális deformációit? Van-e különbség a tervezett geometriájú és véletlenszerű határfelületi mintázattal rendelkező kompozitok viselkedése között? Hogyan befolyásolja a mintázat geometriája (mintaelemek közötti távolság, szálátmérő, periodicitás, orientáció) a kompozit globális és lokális mechanikai tulajdonságait? Használható-e a hőre lágyuló határfelületi módosító anyag gyógyíthatóság biztosítására?

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 projekt alapvetően alapkutatás, azonban számos lehetőség adódhat az ipari és társadalmi hasznosíthatóságra. A kifejlesztett kompozitok a nagyteljesítményű polimer kompozitok nagy szilárdság mellett szívós viselkedést mutató új nemzedékét képezhetik. A határfelületi adhézió módosításának mechanikai tulajdonságokra való hatására nyert betekintés új kutatási lehetőségeket nyit meg az intelligens anyagok, mint például az alakemlékező kompozitok, autonóm aktuátorok vagy a határfelületi mintázat öngyógyító anyagokban való felhasználásának területén. A kutatási projekt számos erősséggel rendelkezik a kompozitok szívósságnövelésével foglalkozó hazai és nemzetközi kutatásokkal összehasonlításban: Az alapötlet, a szívósság határfelületi adhézió módosításával való javítása áttörést jelenthet, a konkurens kutatások az erősítőanyag és a mátrixanyag módosítására koncentrálnak, ezzel minden esetben a kompozit szerkezet teherbírásának csökkenését okozva. A BME Polimertechnika Tanszéken jelen van a polimert anyagtudomány minden területén kutató gépész- és vegyészmérnökök szinergiája. A laboratóriumi háttér kiváló: minden szükséges polimerfeldolgozási technológia a nano-tól, a mikro-n keresztül a makroméretekig megtalálható az összes szükséges mechanikai, vegyi és morfológiai vizsgálati módszerrel egyetemben. A felkínált technológia abból a szempontból is egyedülálló, hogy nem csak a kompozitok ki szívósságára adhat megoldást, hanem e mellett a kompozitok sajátos tönkremeneteli módjára és a hatékony gyógyítási módszer hiányára is választ adhat a határfelületen elhelyezett hőre lágyuló módosító anyag gyógyító anyagként való felhasználásával. A projektnek számos területen lehetnek kedvező társadalmi hatásai: A szívós kompozitok biztonságilag kritikus területeken történő alkalmazása jelentős javulást hozhat a közlekedés-, közmű- és energiabiztonságban. A kifejlesztett gyógyítási módszer alkalmazása meghosszabbíthatja a kompozit termékek élettartamát csökkentve a keletkezett hulladék és a felhasznált nyersanyagok felhasználásának mennyiségét.

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 érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Napjainkban a kompozit anyagokat számos biztonságilag kritikus területen alkalmazzák, mint például a repülőgépiparban, autóiparban és az energetikai szektorban. Legnagyobb hátrányaik egyike, hogy miközben nagy terhelések elviselésére képesek, a teherbírásuk kritikus értékét elérve hajlamosak a minden jel nélküli katasztrófaszerű tönkremenetelre, ami folyamatos kockázatot jelent. Széleskörű kutatás foglakozik a kompozitok szívósságának növelésével a szálak és a befoglaló mátrixanyag módosításával, azonban ezek a módszerek általában csökkentik a kompozitok teherbírását. A kutatásunk során újszerű módszerekkel fogjuk módosítani a szál és a mátrix közötti kapcsolatot, amivel a szilárdság csökkenése nélkül növelhető a szívósság. A határfelület módosítását innovatív módszerekkel, 3D nyomtatással, elektosztatikus nanoszálképzéssel és programozott szórással kialakított tervezett vagy véletlenszerű mintázat kialakításával fogjuk elérni. A kutatás során a kompozitok törési és tönkremeneteli folyamatainak alapvető jelenségei kerülnek leírásra válasz adva sok régóta fennálló kérdésre. A rétegközi mintázat kialakításával a kompozitok egy másik, komoly problémájára is válasz kínálunk: a kifejlesztett 3 fázisú intelligens anyagok képesek lesznek gyógyulásra. A sérült szerkezet gyógyítható lesz a határfelületi anyag megolvasztásával majd a repedésekben történő megszilárdulásával. Összességében a kifejlesztett anyagok javítani fogják a kompozit szerkezetek alkalmazásának biztonságát és megbízhatóságát és csökkenteni fogják a használatuk miatt keletkező hulladék mennyiségét.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Our main research intent is to develop novel ductile long fiber reinforced composites with the possibility of healing by achieving the following goals:
• development of different interlaminar patterning technologies based on 3D printing, electrospinning and spraying of a thermoplastic interphase modifier material,
• thoroughly investigate the effect of the designed interlaminar properties and the mechanisms leading to higher ductility, reaching a deep understanding of the connection between interfacial adhesion and composite ductility,
• investigate the possibility and effectiveness of healing provided by the patterned interface through the crack filling and crack tip blunting effect of the melted interphase modifier material.
The project involves basic research on the effect of interfacial adhesion on the ductility of fiber reinforced composites and the possibility of creating three component thermoset/thermoplastic based composites with the capability of healing by crack blunting and crack filling in the matrix and at the fiber-matrix interface.

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 main research hypothesis is if the modification of the interlaminar adhesion in long fiber reinforced thermoset matrix composites can improve their ductility. Through the research process, many important questions about the role of adhesion in multiphase systems will be addressed and answered: What is the optimal level of adhesion providing ductile behavior through the relative slippage of the constituents without compromising the strength provided by good load transfer? How do interlaminar patterns effect the global and local deformation of a composite structure? Is there a difference in the behavior in composites with regular and random interlaminar patterns? How does pattern geometry (spacing, fiber diameter, periodicity, orientation) effect the global and local mechanical characteristics? Can a thermoplastic interphase material act as a healing agent in a composite system?

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.
Although the proposed project is basic research, it opens wide perspectives for industrial applications and social exploitation. The developed composites provide a new generation of high performance polymer composite materials with both high strength and ductility. The insight on the effect of adhesion modification on the mechanical properties opens up new research opportunities in the field of smart materials for example by the exploitation of the designable adhesion in shape memory composites, autonomous actuators or by the application of the interlaminar pattern materials as multifunctional self-healing materials. There are many strong points of the project compared to research in the field of composite ductility improvement both in Hungary and abroad: The main idea, the manipulation of adhesion to improve ductility is a groundbreaking idea, concurrent research focuses on the modification of the reinforcement structure or the matrix, in all cases compromising the load bearing capacity of the composite structure. At BME Department of Mechanical Engineering much needed synergy is present in the field of material science by the involvement of chemical and mechanical engineers working in all fields of polymer science. The laboratory background is outstanding: all the necessary polymer processing technologies from nano through micro to macroscale are present with all the necessary mechanical, chemical and morphological investigation techniques. The proposed technology is also unique because it can address not only the poor ductility but also the particular failure mode and the lack of effective healing methods of composites by the possibility to use the deposited adhesion adjuster material as a healing agent. The project can have beneficial social effects in several areas: The ductile composites applied in safety-critical applications can cause a drastic increase in transportation, infrastructure and energy safety. Through the increase of ductility redundant structures can be redesigned leading to weight saving. The application of the developed healing process can prolong the lifetime of composite parts reducing waste and saving raw materials.

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 NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Nowadays composite materials are widely used in safety critical areas like aerospace, automotive and energy sector. One of their greatest disadvantages is that while they can withstand high loads, upon reaching a critical value they have a tendency to fail catastrophically without showing any warning sign providing a constant risk. Widespread research is performed in the field to improve the ductility of the composites by the modification of the fibers or the embedding matrix material, but these methods often lead to a decrease in load bearing capacity. In our research we will develop a novel method to modify the interaction between the fibers and the matrix leading to higher ductility without compromising their strength. This will be achieved by depositing adhesion modifier materials in regular and random patterns in the layers between the individual reinforcing layers by innovative methods like 3D printing, electrospinning of nanofibers and programmed spraying. In the research key phenomena will be described in terms of composite fracture and failure giving answers to long defined questions. Through the interlaminar patterning a second problem of composites will be also solved: the developed three phase smart materials will be capable of a healing effect. The damaged structure will be repaired by the melting and reconsolidation and of the added material in the cracks. Summarized the developed materials will improve the safety and reliability of composite structures and reduce the waste generated by their application.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt célja a kompozitok szívósságának tervezett határfelületi mintázatokkal történő javítására szolgáló technológiák kifejlesztése volt. Három különböző technológiát fejlesztettünk ki, amik a hőre lágyuló határfelületi anyag 3D nyomtatásán, az erősítőszálak írezésének LASER-rel és vegyi úton történő helyi eltávolításán alapulnak, mindhárom technológia hatékonynak bizonyult. A rétegközi minták tönkremeneteli folyamatot megváltoztató hatásmechanizmusát statikus és dinamikus vizsgálatokkal, valamint törésmechanikai vizsgálatokkal vizsgáltuk. A kompozitok minden esetben katasztrofális tönkremenetel helyett szívós viselkedést mutattak. Modellek mérési adatokhoz történő illesztésével jellemeztük a kulcsparaméterek (mintázattípus, orientáció, távolság, felületi kitöltés) hatását, ezzel további betekintést nyerve a folyamatokba. Az eredmények alapján a célzott rétegközi tönkremeneteli folyamatot leíró modelleket hoztunk létre. A gyógyulás lehetőségét is megvizsgáltuk, bemutattuk működését, és létrehoztunk egy olyan modellt, ami a gyógyítás optimalizálásához használható, és más gyógyítási technológiákhoz is adaptálható. A fő célok mellett több altémát is feltártunk. Új eredményeket értünk el a kompozitok károsodásának nyomon követése és jellemzése (DIC és beágyazott FBG szenzorok segítségével), az elektrosztatikus szálképzéssel előállított rétegközi anyagok rétegközi anyagként történő felhasználása, valamint a kompozitok újszerű szimulációs eszközeinek létrehozása terén.
Results in English
The aim of the project was to develop technologies for ductility improvement of composites via interfacial engineering. Three different technologies, based on 3D printing of thermoplastic interlayer material, LASER ablation of the sizing of the reinforcing fibers, and localized removal of the sizing of the reinforcing fibers by chemicals, were developed and proved to be effective. The mechanisms of the failure changing effect of the interlaminar patterns were investigated in classical static and dynamic tests, as well as fracture mechanical investigations. In all cases, the composites showed pseudo-ductile behavior instead of catastrophic failure. With the fitting of models to the measurement data, the effect of the key parameters (pattern type, orientation, spacing, surface fill) was characterized. The application of modeling helped to gain further insight into the processes. Based on the results models describing the targeted interlaminar failure process were created. The possibility of healing was also investigated and demonstrated, and a model was created, which can be used for healing optimization and which can be adapted to other healing technologies. Besides the main goals, several subtopics were introduced and new results were achieved in the field of damage monitoring and characterization in composites (by DIC and embedded FBG sensors), using electrospun interlayers for damage modification and creation of novel simulation tools for composites.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124352
Decision
Yes





 

List of publications

  
Magyar B., Czigany T., Szebényi G.: Metal-alike polymer composites: The effect of inter-layer content on the pseudo-ductile behaviour of carbon fibre/epoxy resin materials, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 215: 109002, 2021
Szebenyi Gabor, Magyar Balazs, Czigany Tibor: Achieving Pseudo-Ductile Behavior of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites via Interfacial Engineering, ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 2000822, 2021
Szebényi Gábor, Blößl Yannick, Hegedüs Gergely, Tábi Tamás, Czigany Tibor, Schledjewski Ralf: Fatigue monitoring of flax fibre reinforced epoxy composites using integrated fibre-optical FBG sensors, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 199: p. 108317., 2020
Szebényi G., Hliva V.: Detection of Delamination in Polymer Composites by Digital Image Correlation—Experimental Test, Polymers, 11, 523/1-523/11, 2019
Bloessl Yannick, Hegedus Gergely, Szebenyi Gabor, Tabi Tamas, Schledjewski Ralf, Czigany Tibor: Applicability of fiber Bragg grating sensors for cure monitoring in resin transfer molding processes, JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES 0731684420958111, 2021
Szebényi G., Hliva V., Magyar B.: Non-destructive evaluation of interfacially engineered composites, 20th European Conference on Composite Materials (ECCM20), 2022
Hliva Viktor, Szebényi Gábor: Digitális képkorreláció alkalmazási lehetőségei a járműiparban, ERŐSÍTETT MŰANYAGOK 2018 Nemzetközi BALATON Konferencia, 2018
Magyar Balázs, Szebényi Gábor: Szénszál erősítésű kompozitok szívósságnövelése módosított határfelületi adhézió segítségével, ERŐSÍTETT MŰANYAGOK 2018 Nemzetközi BALATON Konferencia, 2018
Hliva Viktor, Szebényi Gábor: Detection of delamination in composite structures with DIC method, FEMS JUNIOR EUROMAT CONFERENCE 2018, 2018
Szebényi Gábor, Magyar Balázs: Effect of fibre sizing on the interlaminar properties of polyamide matrix composites, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 426 012044, 2018
Tamás-Bényei P., Bitay E., Kishi H., Matsuda S., Czigány T.: Toughening of Epoxy Resin: The Effect of Water Jet Milling on Worn Tire Rubber Particles, Polymers, 11, 529/1-529/11, 2019
Hliva V., Szebényi G.: Mesterséges rétegelválás modellezése polimer kompozitokban, XXVII. Nemzetközi Gépészeti Konferencia (OGÉT2019) Nagyvárad, Románia. 2019.04.25-2019.04.28.,197-200, 2019
Szebényi G., Hliva V., Tamás-Bényei P.: Investigation of delaminated composites by DIC and AE methods, International Conference on Composite Materials (ICCM22) Melbourne, Australia. 2019.08.11-2019.08.16,7, 2019
Szebényi G., Hliva V.: Detection of Delamination in Polymer Composites by Digital Image Correlation—Experimental Test, Polymers, 11, 523/1-523/11, 2019
Magyar B., Szebényi G., Czigány T.: Comparison of different interfacial engineering methods to achieve pseudo-ductile behaviour of carbon fibre reinforced polymer composites, International Conference on Composite Materials (ICCM22) Melbourne, Australia. 2019.08.11-2019.08.16,9, 2019
Gabor Szebenyi ,Viktor Hliva, Balázs Magyar: Development of interphase engineering techniques for the ductility improvement in CF/EP composites - comparison of NDT methods for delamination localization, 12th International Conference on Composite Science and Technology, Sorrento, Olaszország, 2019.05.08-2019.05.10., 2019
Szebenyi Gabor, Magyar Balazs, Czigany Tibor: Achieving Pseudo-Ductile Behavior of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites via Interfacial Engineering, ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 2000822, 2021
Szebényi Gábor, Blößl Yannick, Hegedüs Gergely, Tábi Tamás, Czigany Tibor, Schledjewski Ralf: Fatigue monitoring of flax fibre reinforced epoxy composites using integrated fibre-optical FBG sensors, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 199: p. 108317., 2020
Szebényi G., Hliva V.: Kompozit termékek és szerszámok roncsolásmentes hibakeresési lehetőségei, ERŐSÍTETT MŰANYAGOK 2020 Nemzetközi BALATON Konferencia, 2020
Magyar Balázs, Szebényi Gábor: Effect of CO2 LASER interlaminar treatment on the ductility of composites, ERŐSÍTETT MŰANYAGOK 2020 Nemzetközi BALATON Konferencia, 2020
Hliva Viktor, Szebényi Gábor: Detection of delamination damage in fiber reinforced composites, ERŐSÍTETT MŰANYAGOK 2020 Nemzetközi BALATON Konferencia, 2020
Gabor Szebenyi, Viktor Hliva, Balazs Magyar: Development of interphase engineering techniques for the ductility improvement in CF/EP composites – Comparison of NDT methods for delamination localization, Materials Today: Proceedings, 2020
Bloessl Yannick, Hegedus Gergely, Szebenyi Gabor, Tabi Tamas, Schledjewski Ralf, Czigany Tibor: Applicability of fiber Bragg grating sensors for cure monitoring in resin transfer molding processes, JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES 0731684420958111, 2021
Magyar B., Czigany T., Szebényi G.: Metal-alike polymer composites: The effect of inter-layer content on the pseudo-ductile behaviour of carbon fibre/epoxy resin materials, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 215: 109002, 2021
Karadi D. T., Sipos A. A., Halász M., Hliva V., Hegyi D.: An elastic phenomenological material law of technical textile with a nonlinear shear behaviour, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 40, 759-769 (2021), 2021
Tamás-Bényei P., Bitay E., Kishi H., Matsuda S., Czigány T.: Toughening of Epoxy Resin: The Effect of Water Jet Milling on Worn Tire Rubber Particles, Polymers, 11, 529/1-529/11, 2019
Magyar B., Szebényi G.: Polimer kompozitok károsodásának meghatározása újszerű módszerrel, RAKK & AGY 2021, 2021
Hliva V., Szebényi G.: Polimer kompozitok károsodásai és kimutatásuk, RAKK & AGY 2021, 2021
Magyar B., Hliva V., Szebényi G.: Decomposition and thermal properties of inter-layer modified polymer composites, FRPM21, 2021
Bloessl Yannick, Hegedus Gergely, Szebenyi Gabor, Tabi Tamas, Schledjewski Ralf, Czigany Tibor: Applicability of fiber Bragg grating sensors for cure monitoring in resin transfer molding processes, JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES 0731684420958111, 2021
Magyar B., Hliva V., Szebényi G.: Decomposition and thermal properties of inter-layer modified polymer composites, FRPM21, 2021
Magyar B., Szebényi G.: Polimer kompozitok károsodásának meghatározása újszerű módszerrel, RAKK & AGY 2021, 2021
Hliva V., Szebényi G.: Polimer kompozitok károsodásai és kimutatásuk, RAKK & AGY 2021, 2021
Karadi D. T., Sipos A. A., Halász M., Hliva V., Hegyi D.: An elastic phenomenological material law of technical textile with a nonlinear shear behaviour, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 40, 759-769, 2021
Tamás-Bényei P., Bitay E., Kishi H., Matsuda S., Czigány T.: Toughening of Epoxy Resin: The Effect of Water Jet Milling on Worn Tire Rubber Particles, Polymers, 11, 529/1-529/11, 2019



Back »