ZB 9 Metaliczne materiały kompozytowe w aplikacjach lotniczych w tym materiały typu Glare

1. ZB 9 Metaliczne materiały kompozytowe w aplikacjach lotniczych w tym materiały typu Glare Lider merytoryczny Prof. dr hab. Barbara Surowska, dr hab. inż. Romana Śliwa, prof.PRz Instytucje partnerskie w zadaniu Politechnika Lubelska, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Instytut Lotnictwa, IPPT PAN

2. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki badań zniszczenia w wyniku impactu dla FML Widok próbki od strony górnej Widok próbki od strony dolnej Al/CFRP energia zrzutu 20J Wyniki badań termograficznych(termogramy) Wielkość strefy uszkodzenia od strony górnej wynosi 33,6 mm. Wielkość strefy uszkodzenia od strony dolnej wynosi 34,9 mm.

3. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki badań pianek ceramicznych Al2O3 Pianka korundowa przeznaczonej do infiltracji ciekłymi metalami. Porównanie doświadczalnych wartości przepuszczalności darcianowskiej (a) i niedarcinowskiej (b) z wyliczonymi na podstawie skorygowanego równania Erguna. Wypełnienie porowatej kształtki korundowej Al2O3stopem AlSi11 Badania pod względem impedancji akustycznej oraz współczynnika pochłaniania dźwięku; dwu-mikrofonowa metoda funkcji przejścia. Dendrytyczna budowa stopu AlSi11

4. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych • Opracowanie programu do generowanie geometrii rzeczywistych struktur • piankowych na podstawie obrazów 2D pochodzących z mikrotomografii Numeryczny model geometrii pianki o porowatości 86% Obraz 2D szkieletu pianki o porowatości 86% • Usprawnienie istniejącego programu do generowania geometrii i Opracowanie numerycznych modeli geometrii przestrzennych struktur piankowych • Symulacje numeryczne MES procesu ściskania w celu otrzymania własności • mechanicznych szkieletu piankowego, przygotowywanie modelu MES dla przestrzennych losowych struktur piankowych

5. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych ODLEWY SZKIELETOWE Modelowanie procesu wypełniania wnęki formy odlewu Parametry wypełnienia wnęki formy : Temperatura zalewania: 963 K Temperatura formy: 473 K Wysokość układu wlewowego: 211 mm Szybkość zalewania 0,5 kg/s Krystalizacja kompozytu Krzywa chłodzenia i krystalizacji kompozytu AlSi11+ 10% wag. (CoCrMoNi)p Rozkład temperatury ciekłego metalu w trakcie wypełniania wnęki formy (przekrój osiowy) 8. Piec do obróbki cieplnej odlewów szkieletowych.

6. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Kompozyty umacniane cząstkami Właściwości tribologiczne kompozytów z pokryciem z węgla szklistego Powierzchnia kompozytu bez pokrycia po tarciu (widoczne spękania i wykruszenia spowodowane odkształceniami ceramicznych sferoidów Powierzchnia kompozytu po tarciu: pokryta węglem szklistym cząstka ceramiczna ze śladami tarcia wartość średnia = 0,12 wartość średnia = 0,3

7. Wybrane wyniki Zadanie krzyżowe z ZB5 • Wiercenie kompozytów • Badanie wpływ parametrów skrawania: • Analiza wartości siły osiowej w zależności od parametrów Vc i f • Analiza rozmiaru delaminacji w zależności od parametrów Vc i f • Materiał: Kompozyt węglowy o splocie koszykowym • Badanie obszaru naprężeń podczas wiercenia: • Analiza wartości siły osiowej w zależności od parametrów Vc i f • Analiza obszaru wpływu naprężęń w zależności od parametrów Vc i f • Materiał:Kompozyt z włóknem węglowym o splocie koszykowym • Kompozyt z włóknem węglowym jednokierunkowy • Kompozyt z włóknem szklanym o splocie koszykowym Zależność wartości osiowej siły naporu wiertła od parametrów obróbki Vc i f GFRP prepreg splotowy CFRP prepreg splotowy CFRP prepreg jednokierunkowy Stanowisko badawcze – siłomierz firmy Kistler Optymalny dobór parametrów skrawania Błędny dobór parametrów skrawania Przyrząd mocujący próbkę Próbki do badań

8. Główne wnioski • W zakresie badań pianek ceramicznych: • Wyniki badań spadku ciśnienia gazu przepuszczanego przez pianki korundowe wykazały, że parametr ten opisywany jest równaniem Forchheimer’a – nakładanie się przepływu laminarnego i turbulentnego. • Wartości przepuszczalności wyznaczone doświadczalnie i przewidziane przez model materiału porowatego o prostej geometrii wykazywały zgodność tylko w zakresie porowatości >80%. Brak zgodności w szerszym zakresie porowatości spowodowany był przede wszystkim złożoną budową przestrzenną pianki ceramicznej. • Powierzchnia właściwa pianek korundowych o porowatości otwartej w zakresie 61 - 90% zawarta była w przedziale od 0,5 do 3,5 m2/g. • Możliwa jest stabilna identyfikacja odwrotna parametrów dla modelu Johnson-Champoux-Allard materiału porowatego o sztywnym szkielecie. Poprawność identyfikacji parametrów modelu dla ceramicznej pianki Al2O3 potwierdzona jest dodatkowo przez zgodność dwóch zidentyfikowanych parametrów : średnimi wielkościami porów i „okien” łączących pory. • Kompozyty AlMg5/Al2O3 charakteryzują się dobrym przyleganiem na granicy międzyfazowej ceramika/metal. • Wyniki eksperymentu i modelowania w zakresie impedancji akustycznej i dźwiękochłonności • ceramicznej pianki Al2O3 wykazują dobrą zgodność. Poprawność identyfikacji parametrów modelu dla ceramicznej pianki Al2O3 potwierdzona jest dodatkowo przez zgodność dwóch zidentyfikowanych parametrów z odpowiednimi wielkościami charakteryzującymi jej mikrostrukturę, a mianowicie średnimi wielkościami porów i „okien” łączących pory.

9. Główne wnioski W zakresie kompozytów typu GLARE: Laminaty aluminium/kompozyt epoksydowo-szklany (GLARE) charakteryzują się wyższą odpornością na dynamiczne uderzenia o niskich prędkościach w porównaniu z laminatami aluminium/kompozyt epoksydowo-węglowy. (CARAL) Układy (0/90) charakteryzują się wyższą odpornością na impact w porównaniu do układów jednokierunkowych (0) ocenianą kryterium sił (Pm i Pi) i czasu ich oddziaływania. Metody NDT pozwalają charakteryzować uszkodzenia międzywarstwowe w celu oszacowania rozmiaru strefy uszkodzenia w zależności od energii zrzutu. W przypadku metody ultradźwiękowej powstałe uszkodzenia utrudniają diagnostykę, z uwagi na brak prostopadłości uszkodzenia do ścieżki strumienia akustycznego. Konieczna jest modyfikacja metodyki. Termografia impulsowa umożliwia charakteryzowanie uszkodzenia metodą bezkontaktową, dlatego badanie powierzchni zdeformowanych jest łatwiejsze. W zakresie kompozytów metalowo-ceramicznych: Wytworzone kompozyty infiltrowane węglem szklistym charakteryzują się niższym współczynnikiem tarcia od kompozytów bez tej fazy. Opracowano poprawny model krystalizacji odlewów szkieletowych.

10. Główne wnioski 1. Istnieje konieczność stosowania specjalnych geometrii wierteł dostosowanych do danego typu kompozytu różne cechy materiału kompozytowego uniemożliwiają stosowanie uniwersalnych geometrii wierteł. 2. Konieczne jest zastosowanie pokryć ochronnych i materiałów supertwardych ( np. PCD )do produkcji wierteł 3. Odpowiednie zmodyfikowanie geometrii wierteł przeznaczonych do materiałów kompozytowych winno uwzględniać m.in. : - zastosowanie małych kątów wierzchołkowych - zmniejszenie szerokości ścina - modyfikacje łysinek prowadzących - odpowiednią preparacji naroży wiertła 4. Istotne jest dobieranie parametrów skrawania a w szczególności wartości posuwu tak, aby nie przekroczyć granicznej wartości siły naporu wiertła, powyżej której zachodzi zjawisko delaminacji. 5. Należy unikać zbyt wysokiej temperatury w strefie skrawania, która może doprowadzić do przypalenia materiału matrycy. 6. Wiercenie w materiałach typu GFRP wymaga zastosowania innych parametrów skrawania niż obróbka materiałów typu CFRP. W badanym kompozycie GFRP wzrost posuwu powodował zmniejszenie delaminacji ( zasada odwrotna niż przy CFRP) 7. Geometrie stosowane do obróbki CFRP nie nadają się do obróbki GFRP. Materiały te wykazują inne właściwości skrawne. 8. Kompozyty CFRP jednokierunkowe wykazują delaminację głównie na kierunku przebiegu włókien. Materiały CFRP splotowe wykazują delaminację we wszystkich kierunkach. 9. Strefa wpływu naprężeń, powstających podczas obróbki, sięgać może nawet do 2xd ( d średnica wiertła ). 10. Wzrost parametrów skrawania Vc i f powoduje zwiększenie strefy naprężeń.

11. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Referaty konferencyjne (11) • Damagedetection and thesizequantification of the FML withtheuse of NDE; Dragan K., Kornas Ł., Kosmatka M., Bieniaś J., Leski A ., Synaszko P., Sałaciński M., V Konferencja Zmęczenie Konstrukcji Lotniczych, styczeń 2012 • 2. Inspectionmethods for qualitycontrol of Fibre Metal Laminates (FML) intheaerospacecomponents; Dragan K., Bieniaś J., Leski A., Czulak A., Hufenbach W.; XVI Seminarium “KOMPOZYTY 2012 - Teoria i praktyka, Poraj, kwiecień 2012 • 3. Odporność laminatów metalowo-włóknistych typu aluminium/kompozyt węglowo-epoksydowy na uderzenia przy niskich prędkościach, Bieniaś J., Jakubczak P., XVI Seminarium “KOMPOZYTY 2012 - Teoria praktyka”, Poraj, kwiecień 2012. • 4. Odporność laminatów epoksydowo-węglowych na uderzenia udarowe o niskich prędkościach, Bieniaś J., Dragan K., Jakubczak P., XII Międzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna „Polimery i Kompozyty Konstrukcyjne 2012”. Praga, Republika Czeska, maj 2012. • 5. Odporność laminatów metalowo-włóknistych typu aluminium/kompozyt szklano-epoksydowy na obciążenia dynamiczne o niskich prędkościach; Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., V Krajowa Konferencja „Nowe materiały – Nowe technologie  w przemyśle okrętowym i maszynowym”, Międzyzdroje, maj 2012.

12. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • 6. Analiza porównawcza identyfikacji nieciągłości strukturalnych w kompozytach polimerowych wzmacnianych włóknami, Bieniaś J., Surowska B., Ostapiuk M., V Krajowa Konferencja „Nowe materiały – Nowe technologie  w przemyśle okrętowym i maszynowym”, Międzyzdroje, maj 2012. • 7. The mechanical properties and failure analysis of selected fibre metal laminates, Bieniaś J., Jakubczak P., Majerski K., Ostapiuk M., The XVII International Conference „Mechanics of Composite Materials” Riga, czerwiec 2012. • 8. Impact behavior of fibre metal laminates, Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., The XVII International Conference „Mechanics of Composite Materials” Riga, czerwiec 2012. • 9. Low temperature effect on mechanical properties of glass and carbon reinforced/epoxy composites and FML, Surowska B., Majerski K., Bieniaś J., The XVII International Conference „Mechanics of Composite Materials” Riga, czerwiec 2012. • 10. Fatigue of unidirectional carbon fiber reinforced epoxy composites. Surowska B., Dębski H., Bieniaś J., ECCM15 - 15TH European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, June 2012 • 11. The mechanical properties and failure analysis of selected Fibre Metal Laminates,Bieniaś J., Surowska B., ECCM15 - 15TH European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, June 2012

13. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Publikacje w czasopismach (5 – w tym 1 z IF, 5 z listy B) • Zielinski T.G., Galland M.-A., Ichchou M.N."Fully-coupled finite-element modeling of active sandwich panels withporoelastic core".Journal of Vibration and Acoustics - Transactions of the ASME,Vol.134, No.2, pp.021007-1-10, 2012. • Bieniaś J., Ostapiuk M., Surowska B., Fraktografia i analiza zniszczenia kompozytów węglowo/epoksydowych poddanych obciążeniom statycznym i dynamicznym w podwyższonych temperaturach, Acta Mechanica et Automatica 6(1) (2012) • Ostapiuk M., Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B.,: Identyfikacja nieciągłości w kompozytowych panelach sandwiczowych z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej, Przetwórstwo Tworzyw, 2 (146), 2012, 93-97 • Jakubczak P., Bieniaś J., Dragan K.,: Odporność kompozytów epoksydowo-węglowych na uderzenia udarowe przy niskich prędkościach, Przetwórstwo Tworzyw, 3 (147), 2012, 205-209 • Majerski K., Bieniaś J., Ostapiuk M., Identyfikacja porowatości w kompozytach węglowo i szklano/epoksydowych metodą mikrotomografii komputerowej, Przetwórstwo Tworzyw, 2(146), 2012, 98-102 • M. Nowak, Z. Nowak, R. Pecherski , "Analiza procesu deformacji regularnych struktur piankowych", Rudy i Metale Nieżelazne , 2012 w druku + około 8 publikacji w przygotowaniu do druku

14. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Prace inżynierskie obronione (4) • Kaczor Magdalena: Badania wybranych właściwości mechanicznych laminatów: tytan-kompozyt węglowo/epoksydowy. Promotor: prof. dr hab.Surowska Barbara, luty 2012 • Marek Katarzyna: Badania procesów zniszczenia w kompozytach typu FML. Promotor: prof. dr hab..Surowska Barbara , luty 2012 • Michalski Marcin: Badania wytrzymałości połączenia metal-kompozyt węglowo/epoksydowy. Promotor: dr inż. Bieniaś Jarosław, luty 2012 • Szymborski Bartosz: Badania wybranych właściwości materiałów typu metal-kompozyt kevlarowo/ epoksydowy. Promotor: dr inż. Bieniaś Jarosław, luty 2012

15. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Prace inżynierskie planowane na 2013 r (13) • Wytrzymałość połączenia metal-kompozyt polimerowy w wybranych laminatach metalowo-włóknistych. – K. Dadej, opiekun prof. B. Surowska • Badania stopnia odkształcenia laminatów metalowo-włóknistych: tytan/włókna szklane i węglowe. – M. Krzysiak, opiekun prof. B. Surowska • Badania wytrzymałości na zginanie wybranych laminatów metalowo-włóknistych. – B. Flis, opiekun prof. B. Surowska • Właściwości wytrzymałościowe i charakter zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych w obniżonych temperaturach - P. Jeczeń, opiekun prof. B. Surowska • Analiza struktury laminatów typu tytan/kompozyt o osnowie epoksydowej wzmacniany włóknami węglowymi i szklanymi. – P. Laskowski, opiekun dr J. Bieniaś • Analiza procesu zniszczenia w wybranych laminatach metalowo-włóknistych po badaniach odporności na uderzenia dynamiczne. – M. Pogorzelski, opiekun dr J. Bieniaś • Badania odporności korozyjnej laminatów metalowo-włóknistych z wykorzystaniem komory korozyjnej. – C. Antolak, opiekun dr J. Bieniaś • Analiza możliwości odkształcania laminatów metalowo-włóknistych typu: aluminium/włókna szklane i węglowe. – M. Pajurek, opiekun dr J. Bieniaś • Wpływ warunków środowiskowych na właściwości laminatów metalowo-włóknistych. – G. Kłosowski, opiekun dr J. Bieniaś • Badania defektoskopowe ultradźwiękowe wybranych laminatów metalowo-włóknistych – K. Szatkowska, opiekun dr J. Bieniaś • Badania korozyjne wybranych kompozytów metalowo-włóknistych metodą elektrochemiczną – D. Czerniak, opiekun dr J. Bieniaś • Badanie wpływu wielkości delaminacji na makroskopowe właściwości wytrzymałościowe kompozytów laminatowych metodą trójpunktowego zginania belek – B. Kołomyjska, opiekun dr S. Samborski • Modelowanie procesu zniszczenia kompozytów FML. – K. Trumiński, opiekun dr H. Dębski

16. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • magisterskie planowane na 2013 r. Tematy w trakcie opracowywania • doktorskie planowane na 2013 r. • Monika Ostapiuk „Rola mikrostruktury warstwy wierzchniej aluminium w kształtowaniu właściwości  laminatu aluminium-kompozyt epoksydowo-szklany” – promotor prof. B. Surowska, otwarty PŚ 15 maj 2012 r. • Patryk Jakubczak „Analiza zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych w wyniku obciążenia dynamicznego z niską prędkością” – promotor prof. B. Surowska, złożony na RW PCz czerwiec 2012 r. • Małgorzata Wilk „ Kształtowanie kompozytów warstwowych typu Glare z udziałem fazy metalicznej” – opiekun naukowy dr hab. inż. R.E. Śliwa, prof. PRz • Piotr Tyczyński : Innowacyjne rozwiązania geometrii wierteł do obróbki ubytkowej kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym do zastosowań w lotnictwie „ opiekun naukowy dr hab. inż. R.E. Śliwa, prof. PRz • Tomasz Szuter: „Kompozytowa konstrukcja ciecz-ciało stałe na bazie aluminiowych odlewów szkieletowych” – promotor dr hab. inż. Mirosław Cholewa, PŚ • Marcin Nowak : „Numeryczne symulacje powstawania struktur komórkowych materiałów oraz ich deformacji sprężysto-lepkoplastycznych i zniszczenia „ - Promotor: Zdzisław Nowak , IPPT PAN • habilitacyjne planowane na 2013 r. • M. Potoczek „Kształtowanie mikrostruktury piankowych materiałów ceramicznych” – w recenzji wydawniczej

17. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Zgłoszenia patentowe dokonane w I półroczu 2012 r. • P.398311, pt. Sposób wytwarzania kompozytu aluminiowo-ceramicznego zawierającego smary stałe • Udział studentów / doktorantów / innych wykonawców (liczbowo) w ZB 9: • Studentów - 15 w PL , 3 w PRz • Doktorantów - 6 ( 3 w PL + 3 w PRz + 1 w PŚ + 1 IPPT PAN) • Innych wykonawców - 25

18. Stan współpracy z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej • Stan współpracy z przedsiębiorstwami lotniczymi Doliny Lotniczej • PZL Świdnik SA – bieżące konsultacje, wymiana doświadczeń • Propozycje uszczegółowienia SPB na rok 2012 • Nie zgłoszono dodatkowych potrzeb