Influence of repeated impact on damage growth in fibre reinforced polymer composites

The study presents the problems of the influence of repeated low velocity and low energy impacts on damage growth in carbon and glass fibre reinforced high strength polymer composite. The laminate response to impacts was analyzed, the types of damages and their interrelations were identified as well as damages mechanisms were described for tested laminates subjected to repeated impacts. The following conclusions have been drawn on the basis of completed tests: (1) composite materials with polymer matrix reinforced with continuous glass and carbon fibres demonstrate limited resistance to repeated impacts. The laminates resistance to impacts depends mainly on the properties and type of components, particularly in case of reinforcing fibres, orientation of layer under the influence of external impact; (2) tested laminates with carbon fibres are characterized by lower resistance to repeated impacts than laminates with glass fibres. This is proved by the curves of laminate response to impacts, wider damage area and tendency to laminate structure perforation as a result of repeated impacts; (3) repeated impacts lead to damage growth mainly through propagation of damage initiated in initial impacts phase. Delaminations and matrix cracks belong to the basic mechanisms of damages in composite materials; (4) composite damage propagates with increasing number of impacts in fibres orientation direction, particularly in lower composite layers. Further impacts may result in higher stress concentration and higher initiation energy causing the damage growth in various areas of the material. Further impacts increase the damage leading to gradual growth of damages initiated before.

W pracy przedstawiono problematykę wpływu powtarzających się uderzeń o niskiej prędkości i niskiej energii na rozwój uszkodzenia wysokowytrzymałych kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknem węglowym oraz szklanym. Dokonano analizy odpowiedzi laminatu na uderzenia, zidentyfikowano rodzaj i relacje pomiędzy uszkodzeniami, a także przedstawiono mechanizmy uszkodzenia w badanych laminatach poddanych wielokrotnym uderzeniom. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano że: (1) materiały kompozytowe o osnowie polimerowej wzmacniane ciągłymi włóknami szklanymi i węglowymi wykazują ograniczoną odporność na wielokrotne uderzenia. O odporności laminatów na uderzenia decydują głównie właściwości i rodzaj komponentów, w szczególności włókien wzmacniających, orientacja warstw pod wpływem oddziaływania zewnętrznego; (2) badane laminaty z włóknami węglowymi charakteryzują się niższą odpornością na wielokrotne uderzenia w porównaniu do laminatów z włóknem szklanym. Świadczą o tym charakterystyki odpowiedzi laminatu na uderzenia, większy obszar uszkodzenia oraz skłonność do perforacji struktury laminatu w wyniku wielokrotnych uderzeń; (3) uderzenia wielokrotne powodują rozwój uszkodzenia głównie przez propagację uszkodzenia inicjowanego w czasie początkowych uderzeń. Do podstawowych mechanizmów uszkodzenia materiałów kompozytowych należą rozwarstwienia oraz pęknięcia osnowy; (4) wraz ze wzrostem liczby uderzeń uszkodzenie kompozytu propaguje w kierunku ułożenia włókien, szczególnie dolnych warstw kompozytu. Kolejne uderzenia mogą powodować większą kumulację naprężeń oraz energii inicjacji odpowiedzialnej za rozwój uszkodzenia w różnych obszarach materiału. Kolejne uderzenia powodują zwiększanie uszkodzenia prowadząc do stopniowego rozwoju wcześniej zainicjowanych uszkodzeń.