Επίδραση του τρόπου προετοιμασίας της επιφάνειας στην αντοχή κολλητού συνδέσμου χάλυβα - σύνθετου υλικού

Abstract

Οι εφαρμογές των σύνθετων υλικών σε προηγμένες και ελαφριές κατασκευές επεκτείνονται συνεχώς χρησιμοποιώντας τα είτε ως νέα δομικά υλικά είτε για την αντικατάσταση μετάλλων. Η τελευταία περίπτωση αποκτά τελευταία όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον για τη ναυπηγική βιομηχανία, σε μια προσπάθεια να μειωθεί το δομικό βάρος των κατασκευών. Κατ’ επέκταση, η ένωση σύνθετου υλικού με χάλυβα είναι ένα ουσιαστικό ερευνητικό πεδίο, που απαιτεί εκτενείς μελέτες για την εύρεση της επίδρασης των πολλών παραμέτρων που επηρεάζουν την αντοχή ενός κολλητού συνδέσμου σύνθετου υλικού – χάλυβα. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια πειραματική παραμετρική μελέτη κολλητών συνδέσμων τύπου double – strap μεταξύ ανόμοιων υλικών, δηλαδή κοινού ναυπηγικού χάλυβα και σύνθετου υλικού με πολυμερική μήτρα και ίνες άνθρακα. Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι να ερευνηθεί η δυνατότητα της χρήσης μεθόδων laser για την επιφανειακή επεξεργασία των χαλύβδινων μερών και να εξαχθεί πολύτιμη γνώση που θα χρησιμοποιηθεί στη σχεδίαση αυτού του τύπου κολλητών συνδέσμων. Τέσσερις διαφορετικές μέθοδοι προετοιμασίας της επιφάνειας και δύο διαφορετικά μήκη επικάλυψης εξετάζονται πειραματικά, οδηγώντας σε ένα σύνολο 48 δοκιμίων. Οι μέθοδοι προετοιμασίας της επιφάνειας περιλαμβάνουν 2 διαφορετικές μεθόδους laser που δημιουργούν διαφορετικές κατανομές μικροδομών επάνω στις χαλύβδινες επιφάνειες. Για λόγους σύγκρισης, σε ένα σύνολο δοκιμίων έγινε αμμοβολή προδιαγραφών SA2½ και σε ένα άλλο σύνολο χρησιμοποιήθηκε εργαλείο χειρός για την προετοιμασία της επιφάνειας του χάλυβα στην περιοχή επικάλυψης. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα τμήματα του σύνθετου υλικού κατασκευάστηκαν απ’ ευθείας επάνω στο χάλυβα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο vacuum bagging και, σε αντίθεση με την πλειοψηφία των εργασιών που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, η ρητίνη του σύνθετου υλικού χρησιμοποιήθηκε ως το κολλητικό μέσο ανάμεσα στο χάλυβα και το σύνθετο υλικό. Συνολικά, έξι δοκίμια κόπηκαν από κάθε σύνδεσμο που κατασκευάστηκε και υπεβλήθησαν σε μονοαξονικό εφελκυσμό. Σε κάθε περίπτωση, καταγραφόταν η δύναμη συναρτήσει της μετατόπισης κάθε δοκιμίου και ο τρόπος έναρξης και διάδοσης της αστοχίας. Οι πειραματικές μετρήσεις αναλύονται οδηγώντας σε σημαντικά ποιοτικά συμπεράσματα όσον αφορά στον τρόπο αστοχίας των δοκιμίων και την επίδραση της μεθόδου επιφανειακής επεξεργασίας και του μήκους επικάλυψης στην αντοχή των κολλητών συνδέσμων.

Applications of composite materials to advanced and lightweight structures are continuously expanding either as new structural materials or by replacing metals. The last option is becoming lately of great interest for the marine shipbuilding industry, in an effort to decrease structural weight and lower its center of gravity. Therefore, joining of composite and steel parts is an essential research field, necessitating extensive studies investigating the effect of the many parameters that affect the strength of a composite-to-steel adhesive joint. The present work presents an experimental parametric study of adhesively bonded double strap joints between dissimilar materials, namely typical marine grade steel and carbon fiber reinforced polymers, where the composite is directly laminated on the steel. The purpose of this study is to investigate the potential of using laser surface texturing as a means for surface preparation of the steel adherents and extract valuable knowledge that will be used in the design of this type of joints for connecting steel and composite structural parts. Four different surface preparation methods and two different overlap lengths are considered and experimentally tested, resulting in a total of 48 tests. The surface preparation methods involve 2 different laser surface texturing configurations arranged in regular patterns, obtained by melt pool displacement with a high brilliance fibre laser, which allows to produce a spike-hole combined topography in homogeneous (star-like) or directional (triangle-like) arrangement. For comparison reasons, a set of specimens was made using grit blasting to SA2½ and another set using a hand tool for the steel surface preparation in the overlap area. In all cases, composite adherents were laminated directly on steel and were cured using the vacuum bag method and, unlike the majority of the work found in the literature, the resin of the composite system was used as the adhesive. Six double strap joints specimens were cut from each parent plate and were tested under a uniaxial tensile quasi static displacement. The applied displacement and the reaction force were recorded and a high speed camera was used in order to capture any possible signs of damage initiation and propagation in the overlap area. The experimental measurements are analyzed resulting in important qualitative conclusions regarding the damage initiation areas and the damage propagation paths, as well as in important quantitative conclusions regarding the effect of the surface preparation method and overlap length on the failure mode and strength of the joint.