Vlákny vyztužené polymerní kompozity: příprava, mechanické vlastnosti a termická analýza

Konstantinos Karvanis

Doctoral thesis

Fiber reinforced polymer composites: preparation, mechanical properties and thermal analysis

Abstract:

Nowadays, polymer matrix composites are broadly used, so their properties should be investigated in depth and under various conditions. Fiber-reinforced polymer (FRP) is a composite material which contains polymer as matrix and fibers as reinforcement phase. As it is broadly known, temperature exerts a high impact on materials' properties and especially in the case of the FRP composites which have polymer matrix; due to their viscoelastic nature, polymers are relative sensitive to high temperatures. In this dissertation, FRP composites, with carbon, aramid, carbon/aramid hybrid, glass or basalt fibers as reinforcement phase were prepared through various fabrication methods. Their various mechanical properties, such as tensile and flexural strength were investigated whereas special attention was given in the thermal analysis of the FRP composites through Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Thermomechanical Analysis (TMA), Thermogravimetric Analysis (TGA) experiments, and Differential Scanning Calorimetry (DSC). In particular, in the first experimental part of this dissertation, glass or carbon fiber-reinforced polymer composites were prepared, through vacuum bag oven method, by using prepreg materials. The used fibers were in woven form, with orientations at 0° (0°/90°) or at 45° (-45°/+45°), and in unidirectional form, longitudinal or transverse direction. In the experimental study, the optimal fibers' type and orientation were investigated through DMA and the glass transition temperature (Tg) of the composites was determined. In the second experimental part of the dissertation, basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) composites with epoxy matrix, 20 layers, and volume fraction of fibers (Fí)f = 53.66%, were fabricated through a hand lay-up compression molding combined method. Their viscoelastic behavior in the temperature range 30-180 °C and at 1, 5 or 10 Hz was explored by DMA whereas TMA took part in terms of creep recovery and stress-relaxation tests. Moreover, the Tg of the BFRP composites was determined through the peak of the loss modulus and tan(delta) curves while the decomposition of the BFRP composites and basalt fibers, in air or nitrogen atmosphere, was explored through TGA. Also, the mechanical behavior of the BFRP composites was investigated by tensile and three-point bending experiments. In the third experimental part of the dissertation, carbon, aramid or carbon/aramid hybrid fiber-reinforced polymer composites were fabricated; they were post-cured at elevated temperatures and their thermal and mechanical behavior was explored. After their 7 days curing at room temperature, these epoxy matrix composites were post-cured under specific heating-cooling rates. Extensive thermal analysis, and also exploration of the mechanical behavior of these composites is taken part, investigating in depth the effect of the post-cure, and the scientific results are presented in the dissertation.

Abstract:

V dnešní době se polymerní kompozity široce používají, proto je důležité podrobně zkoumat jejich vlastnosti do hloubky a za různých podmínek. Vláknem vyztužený polymer (FRP-Fiber-reinforced polymer) je kompozitní materiál s polymerním pojivem jako matricí a vlákny jako výztužnou fází. Jak je všeobecně známo, teplota má velký dopad na vlastnosti materiálů, zejména v případě vláknem vyztužených kompozitů, které mají polymerní matrici, protože polymery jsou relativně citlivé na vysoké teploty kvůli své viskoelastické povaze. V této disertační práci byly pomocí různých výrobních technologii připraveny vláknem vyztužený kompozity s uhlíkovými, aramidovými, skleněnými a čedičovými vlákny. Byly zkoumány různé mechanické vlastnosti, jako je pevnost v tahu a ohybu, zejména byla pozornost věnována termické analýze vláknem vyztužených kompozitů prostřednictvím dynamické mechanické analýzy (DMA), termomechanické analýzy (TMA) a termogravimetrické analýzy (TGA). Zejména v první experimentální části pojednání k dizertační práce byly polymerní kompozity vyztužené skleněnými nebo uhlíkovými vlákny připraveny metodou vakuového lisování s použitím prepregových materiálů. Použitá vlákna jsou ve tkané formě s orientací 0° (0°/ 90°) nebo 45° (-45°/ + 45°) a v jednosměrné formě v podélném nebo příčném směru. V experimentální části tohoto pojednání byl zkoumán optimální typ vláken a jejich orientace prostřednictvím DMA a byla stanovena teplota skelného přechodu (Tg) kompozitů. Ve druhé experimentální části Pojednání disertační práce byly pomocí kombinované metody ruční laminace pod vakuovou fólii připraveny bazaltové vlákny vyztužené polymerní (BFRP) kompozity s epoxidovou matricí, pozůstávající s 20 vrstev a objemovým podílem vláken Vf = 53,66 %. Navíc pomocí DMA bylo prozkoumáno jejich viskoelastické chování v teplotním rozsahu 30 - 180 °C a frekvenčním rozsahu 1, 5 nebo 10 Hz, zatímco TMA byla zvolena na studium zkoušek creepového zotavení a napěťové relaxace. Kromě toho byla stanovena teplota skelného přechodu (Tg) kompozitů BFRP pomocí píku křivek tan(delta), zatímco rozklad kompozitů BFRP a čedičových vláken ve vzduchu nebo v atmosféře dusíku byl zkoumán TGA. Také mechanické chování kompozitů BFRP bylo experimentálně zkoumáno v tahu a v tříbodovém ohybu. Je třeba poznamenat, že v rámci zpracování následné disertační práce byly vyrobeny uhlíkové, aramidové nebo uhlík/aramidové hybridní vlákny vyztužené polymerní kompozity, které byly následně vytvrzeny při zvýšených teplotách a bylo zkoumáno jejich tepelné a mechanické chování. Tyto epoxidové kompozity po 7 dnech vytvrzování při pokojové teplotě byly dodatečně vytvrzované podle specifického vytvrzovacího režimu. Vliv dodatečného vytvrzování byl zkoumán pomocí termické analýzy a tyto experimentálně naměřené výsledky budou prezentovány v rámci disertační práce.

Keywords

FRP, polymerní kompozit, termální analýza, DMA, TMA, uhlíkové vlákno, skelné vlákno, basaltové vlákno

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 6. 2021

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Soňa Rusnáková, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes