On the static and dynamic properties of flax and Cordenka epoxy composites

Fibre reinforced composites have excellent specific properties and are widely sought after by engineers seeking to reduce mass. However, end of life disposal is a significant problem and so research into more sustainable natural fibre composites is extremely topical. This paper examines the applicability of natural fibre composites for high performance structural applications. Woven flax and regenerated cellulose (Cordenka) textiles were pre-impregnated with commercially available epoxy resins and consolidated into test laminates in an autoclave to determine their static (compressive, tensile, flexural) and dynamic (energy absorption) properties. The range of compressive strengths was 77.5–299.6 MPa. Tensile strengths ranged from 63 to 92.6 MPa and interlaminar shear strength (ILSS) from 10.7 to 23.3 MPa. Specific energy absorption (SEA) varied between 21.2–34.2 kJ/kg. Biotex flax combined with MTM49 resin matched the SEA of T300 carbon fibre using the same resin system and layup. This work has demonstrated that natural fibre composites have significant scope for use in structural applications but additional work is required on fibre to matrix bonding in order to maximise their properties whilst remaining an environmentally credible option

A Performance Versus Cost Analysis of Prepreg Carbon Fibre Epoxy Energy Absorption Structures

Carbon fibre epoxy composites are sought after for their excellent specific energy absorption (SEA) but are costly. A range of prepreg carbon fibre epoxy layups were subjected to a 10 m/s impact with 4 kJ of energy. Fibre volume fraction and voidage were determined for each sample and the fracture analysed in detail. SEA ranged from 35.27 J/g to 60.25 J/g with the highest performance from 8 plies of 200gsm 2x2 twill all laid at 0 degrees. Vacuum assisted oven cure resulted in higher voidage than autoclave cure (2.52% versus 0.17%) but did not affect SEA. According to a ratio of performance to cost the highest rated samples were an 8 ply oven cure and a 3 ply autoclave cure specimen and there was little difference between them. This work has highlighted that there is enormous potential for cost reduction of prepreg carbon fibre epoxy energy absorption structures through the use of heavier areal weight fabrics and fewer plies as well as through the use of oven cured prepreg

Influence of polymer composite structure on impact energy absorption

W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochłaniania energii przez kompozyty polimerowe o różnych strukturach, wzmocnionych włóknami węglowymi i szklanym. Przeanalizowano wpływ na wartość pochłaniania energii takich czynników, jak: rodzaj włókien wzmacniających, rodzaj struktury, geometria i kształty próbek, orientacja włókien w warstwie i sekwencja układania warstw. Zbadano też wpływ grubości warstw w kompozycie o różnej strukturze na zdolność pochłaniania energii.This paper presents the experimental research of the energy absorption capability of the polymer composites reinforced with carbon and glass fibres, with different structure types. The following factors were investigated: reinforcing fibre types, structure, specimen geometry and shape, fibre orientation in the plies and ply sequence. The influence of the ply thickness in the specimens with different structures on the amount of absorbed impact energy was examined

Influence of a shape of energy-absorbing element on energy absorption capacity

W pracy opisano badania dotyczące określenia zdolności pochłaniania energii podczas uderzenia, przez elementy energochłonne wybranych kształtów. Badano wpływ kształtu elementów energochłonnych takich jak: cienkie płaskie o przekroju prostokątnym, rurki o przekroju pierścieniowym, ścięte stożki o różnych kątach wierzchołkowych, powłoki faliste i w kształcie sfer na wielkość energii absorbowanej (EA). Natomiast, na podstawie prac opublikowanych w literaturze przedstawiono wpływ kształtu słupków o przekroju ceowym i kątowym, rurek o przekroju kwadratowym, eliptycznym oraz rurek z pofalowaną ścianką na EA. Przedmiotem badań były próbki wykonane z kompozytów epoksydowych (żywica E-53) wzmocnionych włóknami szklanymi w postaci: tkaniny rowingowej marki STR-012-350-110, pasmami rowingu marki ES-10-400-0-60 i matą szklaną oraz włóknami węglowymi w postaci: tkaniny rowingowej marki TENAX HTA 5131. Badania doświadczalne prowadzono na standardowej maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8802, przy prędkości obciążenia (prędkości trawersy maszyny) równej 40 mm/min. Wyniki badań przedstawiono w tabelach jako zależność siły niszczącej od odkształcenia (skrócenia próbki). Podano podstawowe właściwości próbek takie jak: wymiary geometryczne, masową zawartość włókien, masę, maksymalną i średnią siłę niszczącą, zaabsorbowaną energię oraz względną energię absorbowaną WEA, tj. energię odniesioną do masy. Zależności WEA od kształtu elementu, dla elementów wykonanych z tych samych kompozytów o jednakowej strukturze zestawiono na wykresach. Liczne fotografie próbek o różnych kształtach przed, w trakcie i po procesie niszczenia ilustrują różne mechanizmy niszczenia.Research on determining an energy absorption capacity of energy-absorbing elements of selected shapes during the impact is described in this paper. The influence of a shape of energyabsorbing elements of such shapes as thin plates of rectangular cross-section, cylindrical tubes, conical tubes with different apex angles, wavy plates, and semi-spheres on a value of the absorbed energy was examined. Additionally, on the basis of on the information available in literature, influence of other elements such as U-channel and angle bars, square and elliptical tubes, and wavy-walled tubes was described. The specimens made from epoxy composites (E-53 resin) were tested. A structure of the composites was reinforced with glass fibers in the form of STR-012-350-110 rowing fabric, ES-10-400-0-60 rowing wisps and glass mat, as well as carbon fibers in the form of TENAX HTA 5131 rowing fabric. Experimental tests were conducted on universal testing machine INSTRON 8802 at a constant crosshead displacement rate of 40 mm per minute. The test results were presented as compressive force vs. displacement (specimen shortening). The basic properties of the specimens, including their geometrical dimensions, mass fiber contents, weights, maximum and average values of compression force, absorbed energy, and relative absorbing energy related to specimen weight, were provided in tables. The relations between relative absorbing energy and composite structures for the specimens made from composites of the same structure were compared in the form of graphs. Numerous photographs, taken during the compression test, as well as before and after it, indicate different failure mechanisms for each of the specimens

Influence of loading rate on energy absorption capability of composite energy absorbing structures

W artykule przedstawiono wyniki doświadczalnych badań wpływu prędkości uderzenia na energię absorbowaną (EA) przez kompozyty epoksydowe wzmacniane włóknami szklanymi i węglowymi o różnej strukturze. Przegląd literatury pokazał, że wpływ prędkości obciążenia na EA jest niejednoznaczny. W niektórych pracach stwierdzono, że EA nie zależy od prędkości uderzenia, natomiast w innych pracach, że EA rośnie lub maleje wraz ze wzrostem prędkości. Kompozyty polimerowe są tworzywami lepkosprężystymi, których właściwości mechaniczne (wytrzymałości na rozciąganie, ściskanie i moduły sprężystości) silnie zależą od prędkości odkształceń. Badaniom energochłonnym poddano próbki wykonane z kompozytów epoksydowych wzmocnionych matą szklaną i tkaniną szklaną o strukturze [(±45)T]n, które mają wysokie właściwości lepkosprężyste, a także kompozyty wzmocnione włóknami szklanymi i węglowymi o strukturze [(0/90)T]n, w których dominują właściwości sprężyste. Próby przeprowadzono w zakresie prędkości 0,0007-14,7 m/s.The paper presents the experimental investigations of influence of loading rate on the energy absorbed (EA) by selected polymer composites. There is a quite extensive literature examining this subject, but the obtained results do not reveal the unequivocal conclusions. In some cases, the loading rate does not influence the EA, in some cases a rising loading rate increases or decreases the EA. Due to viscoelastic properties of polymer composites, their mechanical properties (tensile strength, compression strength, elastic modulus) are strongly influenced by the loading rate. The work deals with energy absorbing tests of epoxy composites in the shape of tubes with different reinforcement orientation (different viscoelastic properties). Specimens made of epoxy resin reinforced with glass fibres in the form of fibre mats and fabrics [(±45)T]n have strong viscoelastic properties. Composite reinforced with glass and carbon fabrics [(0/90)T]n are mainly characterized by elastic properties. The energy absorbing tests were performed in the loading rate range form 0.0007 to 14.7 m/s

Zdolność pochłaniania energii uderzenia elementów z kompozytów węgiel/epoksyd i szkło/epoksyd

In the paper, experimental investigation of the energy absorption capability of carbon-epoxy and glass-epoxy composites was described. Influence of the following factors on the energy absorption capability was analysed: fibre reinforcement type, kind of structure, geometry and shape of specimens, orientation of fibres in a layer and stacking sequence of layers. Specimens in a shape of tubes and truncated cones were selected for testing. The basic mechanical properties of composites designed for elements of energy absorbing structure, essential for numerical simulation of the failure mechanism during the crash test, were determined experimentally. The favourable effect of the failure initiator, made at the specimen's edge, causing the increase in the specific absorbed energy (SAE), as well as the influence of the thickness of individual layers of the layered composite on the SAE value were also investigated. In the tests for truncated cone specimens, the influences of the specimen's thickness on the SAE value were analysed.W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochłaniania energii przez kompozyty węglowo-epoksydowe i szklano-epoksydowe, których porównano wyniki badań. Na wartość pochłaniania energii przeanalizowano wpływ, takich czynników jak: rodzaj włókien wzmacniających, rodzaj struktury, geometria i kształty próbek, orientacja włókien w warstwie i sekwencja układania warstw. Przyjęto do badań próbki w postaci rurek i ściętych stożków. Doświadczalnie określono podstawowe właściwości mechaniczne kompozytów, przeznaczonych na elementy konstrukcji energochłonnej, które są niezbędne do numerycznej symulacji mechanizmu niszczenia, występującego podczas badań zdolności pochłaniania energii w czasie uderzenia. Badano też korzystny wpływ inicjatora niszczenia, wykonanego na krawędzi próbki, który powoduje zwiększenie wartości względnej energii absorbowanej (WEA). Zbadano wpływ grubości poszczególnych warstw kompozytu warstwowego na wartość WEA. W badaniach próbek w postaci ściętych stożków, analizowano wpływ grubości ścianki i połówkowego kąta stożka na wartość WEA

Heat effects in dynamic crush of polymer composites

Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań wpływu prędkości uderzenia na przyrost temperatury na powierzchni próbki. Podczas badań energochłonnych elementów kompozytowych następuje wzrost temperatury próbki, który jest zależny od prędkości uderzenia. Wzrost temperatury jest spowodowany tarciem cząsteczek niszczonej próbki i tarciem próbki o podporę maszyny wytrzymałościowej. W pracy [1] przeprowadzono badania dotyczące rozpraszania energii poprzez tarcie, podczas progresywnego niszczenia kompozytowych rurek, pomiędzy płytami o różnej chropowatości, natomiast nie dokonywano pomiaru temperatury próbek. W pracy podjęto próbę określenia wpływu prędkości obciążenia na temperaturę powierzchni niszczonej próbki. Przeprowadzono badania termowizyjne elementów energochłonnych, które wykonano z kompozytów polimerowych o różnym rodzaju wzmocnienia i o różnej strukturze. Badaniom dynamicznym z pomiarem temperatury poddano próbki wykonane z kompozytów epoksydowych wzmocnionych matą szklaną, które mają wysokie właściwości lepkosprężyste, a także kompozyty wzmocnione włóknami szklanymi i węglowymi o strukturze [(0/90)T]n, w których dominują właściwości sprężyste. Przy dużych prędkościach obciążenia, wzrost temperatury na powierzchni próbek był znacznie większy od temperatury mięknięcia żywicy epoksydowej.The paper presents the experimental results of loading rate influence on the temperature rise on the surface of polymer composites. The investigations showed that during the progressive crush of composite elements, the temperature of the specimen rises significantly, dependently on the loading rate. This effect is mainly caused by friction of composite molecules and friction between bended composite layers and the strength machine. In work [1], the investigations concerned the energy dissipation in progressive crush of composite tubes by a friction effect between composite material and steel plates with different surface roughness. In this case, the temperature was not measured. This work deals with the investigation of temperature growth on the surface of the composite energy absorbing elements in the shape of a tube. The dynamic tests were performed on polymer composites with different reinforcement orientation (different viscoelastic properties). Specimens made of epoxy resin reinforced with glass mat are characterized by strong viscoelastic properties. Composites reinforced with glass and carbon fabrics [(0/90)T]n have mainly elastic properties. The temperature field was measured by the infrared high speed camera. In high speed impact tests, the temperature was significantly higher than the melting temperature of the epoxy resin

Influence of filling of composite tubes with elastomers on absorbed energy and crush mechanism

W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalnych elastomerów o twardościach: 40, 60, 70 i 90 w stopniach określonych metodą Shore'a w skali A. Z badań energochłonnych rurek kompozytowych wypełnionych elastomerami określono wpływ stopnia wypełnienia rurek i twardości elastomeru na wartość pochłanianej energii uderzenia. Przedstawiono też mechanizm niszczenia próbek oraz określono właściwości mechaniczne elastomerów o różnej twardości z prób rozciągania, ściskania i obciążenia okresowo zmiennego.The paper presents the results of experimental investigations of the influence of filling of the tubes with elastomers on their impact energy absorption capability. Elastomers of 40; 60; 70 and 90 hardnesses in the degrees determined by Shore's method in A scale were investigated. Composite tubes were made of epoxy resin matrix (E-53) reinforced with carbon fabric TENA X HTA (C/E) or glass fabric STR-012-350-110 (S/E) and filled with elastomers of a different filling degree level and hardness. The dimensions of the tubes subjected to the examinations were: diameter ø40 mm and length 50 mm. The degree of filling of the specimens with elastomers is determined by percentage filling of the inner volume of the tube with elastomer of different perforation size (the number and the diameter of the holes made in elastomers). The energy absorbing tests were performed on the testing machine Instron 8802. The specimens placed between two flat plates were compressed at the constant load rate equal to 40 mm/min. The maximal shortening of the specimens was equal to 30 mm. On the basis of these data, the graphs of crush force in terms of the specimen shortening were outlined (load – displacement). The influence of the degree of filling of the composite tubes and the elastomer hardness on the energy absorbing capacity was evaluated from the energy absorbing tests. The paper covers the discussion of the crush mechanism of the specimens. The mechanical properties of elastomers used in the tests were evaluated from axial tension and compression load as well as from changing load tests [3]. The results of the influence of filling of the composite tubes with elastomers with different filling degree and various hardness on EA value are presented in table 2. The results are average values from three tests performed for each kind of the specimen. The table contains the specimens' specification: type of composite, wall thickness, filling degree, elastomers hardness, maximum load, specimens; shortening and absorbed energy (EA). The illustrations (Figs. 3-7) present the exemplary graphs of load versus displacement dependences for various kinds of specimen specifications. The graphs 8 to 10 show dependences of filling degree, hardness, wall thickness and reinforcement type (C/E, S/E) on the energy absorbed by the given specimens (EA). The specimens filled with elastomers show different crush mechanism than the specimens without filling. Tubes without the filling material crush progressively by layer bending mode while the specimens filled with elastomers crush by crack along the side surface of the tube, which is caused by the pressure of the compressed elastomer inside (see Fig. 4). Filling of the C/E and G/E composite tubes with elastomers of different hardness causes the increase in crush force (at an average of 22% for C/E), what can be concluded from the investigation results presented in tables 2 and 3 as well as in Figs. 5-7. Along with the increase in a tubes' filling degree, the tube crush displacements highly decrease, what influences directly the EA value decrease (see Figs. 5 and 6). The C/E composite tubes filled with elastomers show greater EA than the analogical tubes made of S/E composite because C/E composite compression strength is significantly greater. This effect was shown in the tests of C/E and S/E of equal wall thickness (see Fig. 10). However, the EA value was slightly influenced by the hardnesses of elastomers (40°, 60°, 70°, and 90° ShA) which filled the tubes. The influence of the tube wall thickness of polymer composites on EA is increasing for all the examined cases of a tubes filling degree and elastomer hardness. It results from the tubes crushing by the layer bending, as the bending strength depends on the thickness in square. The points presented in Figure 8 indicate the experimental results and the solid lines arose in the result of describing the points with polynomials obtained by the minimum squares method. The approximations of the dependence degree of the filling on the absorbed energy value show that EA increases to the filling degree of about 22%, however, EA significantly decreases when it is over 22%. This effect occurs due to the circumferential stresses caused by the pressure inside the tube, which are induced by the compression of incompressible elastomers

Comparison of energy absorbing capability of sandwich structures with a core filled with foamed material and thin-walled waved structures

W pracy opisano badania eksperymentalne konstrukcji energochłonnych. Dokonano porównania wyników zdolności pochłaniania energii uderzenia struktur typu sandwicz z wypełnieniem z tworzywa spienionego oraz cienkościennych konstrukcji energochłonnych z rdzeniem z powłoki falistej. Wykonano próbki z użyciem kompozytu epoksydowego wzmocnionego matą szklaną, tkaniną szklaną i tkaniną węglową. Struktury faliste ze wzmocnieniem włóknami węglowymi wykazały najwyższą wartość względnej energii absorpcji.The work presents experimental studies of energy absorbing structures. The presented investigation covers absorbing impact energy capability results of sandwich structures with a core made of composite plates filled with foamed material (PVC) and composite thin-walled waved constructions. The specimens were made of glass mat, glass fabric, and carbon fabric reinforced with epoxy resin. The waved thin-walled energy absorbing structures reinforced with carbon fabric proved to be the best

Experimental assessment of energy absorption capability of carbon-epoxy and glass-epoxy composites

W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochłaniania energii przez kompozyty węglowo-epoksydowe i szklano-epoksydowe, których wyniki badań porównano. Na wartość pochłaniania energii przeanalizowano wpływ takich czynników, jak: rodzaj włókien wzmacniających, rodzaj struktury, geometria i kształty próbek, orientacja włókien w warstwie i sekwencja układania warstw.In the paper, experimental investigations of the energy absorption capability of carbonepoxy and glass-epoxy composites were described. Influence of the following factors on the energy absorption capability was analysed: fibre reinforcement type, kind of structure, geometry and shape of specimens, orientation of fibres in a layer, and stacking sequence of layers