EN ISO 14130 Kompozyty z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami – Oznaczanie pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe metodą krótkiej belki

Norma „EN ISO 14130 Kompozyty z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami – Oznaczanie pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe metodą krótkiej belki”, opracowana przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO), a następnie opublikowana jako norma europejska w ramach działań harmonizacyjnych, opisuje procedurę określania pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe kompozytów z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami metodą krótkiej belki. Metoda ta nadaje się do stosowania w kompozytach z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami z matrycami termoutwardzalnymi lub termoplastycznymi, pod warunkiem uzyskania ścinającego pęknięcia międzywarstwowego.

W przypadku stosowania materiałów innych niż asymetryczne i niesymetryczne materiały laminowane, na wyniki mogą wpływać różne czynniki, takie jak wydłużenie/zginanie i skręcanie. Metoda ta nie nadaje się do określania parametrów konstrukcyjnych, ale może być stosowana do przesiewania materiałów lub jako test kontroli jakości.

Zasadniczo pręt o przekroju prostokątnym poddawany jest zginaniu jak prosta belka, co powoduje pęknięcie ścinające między warstwami. Pręt spoczywa na dwóch podporach, a obciążenie jest przykładane za pomocą elementu obciążającego znajdującego się w połowie odległości między podporami.

Test ten jest podobny do metody obciążenia trzypunktowego (norma ISO 14125) stosowanej do określania właściwości zginających tworzyw sztucznych. Jednakże, w celu zwiększenia poziomu naprężenia ścinającego w stosunku do naprężenia zginającego w badanej próbce, stosuje się mniejszy stosunek rozpiętości badania do grubości próbki, co sprzyja pękaniu międzywarstwowemu.

Należy podkreślić, że uzyskany wynik nie jest wartością bezwzględną. Dlatego do opisu mierzonej wielkości używa się terminu „pozorna wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe”. Wyników badań uzyskanych dla próbek o różnych rozmiarach lub próbek badanych w różnych warunkach nie można bezpośrednio porównywać.

Norma EN ISO 14130 należy do serii metod badawczych dla kompozytów z tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami, powszechnie stosowanych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, morskim, energetyce wiatrowej i sprzęcie sportowym.

W niniejszej normie określono znormalizowaną procedurę określania pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe (wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe) kompozytów z tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami, stosując badanie ścinania krótką belką (znane również jako metoda krótkiej belki lub badanie zginania trzypunktowego o krótkim rozpiętości).

W tym teście naprężenia ścinające są generowane poprzez przyłożenie obciążenia w konfiguracji zginania trzypunktowego z celowo krótką szczeliną podporową między warstwami (laminatami) materiału kompozytowego. Taka konfiguracja sprzyja pękaniu poprzez ścinanie międzywarstwowe, a nie poprzez zginanie (skręcanie) lub ściskanie włókien zewnętrznych.

Główne cechy tej metody są następujące:

• Zasada działania: Niewielką, prostokątną próbkę belki (wyciętą z laminowanej płyty) umieszcza się na dwóch podporach i obciąża środkowym końcem aż do momentu pęknięcia.
• Geometria próbki: Typowy stosunek rozpiętości do grubości jest niski (około 4:1 do 5:1), co maksymalizuje naprężenie ścinające w stosunku do naprężenia zginającego.
• Materiały stosowane: Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami z matrycami termoutwardzalnymi lub termoplastycznymi (np. włókno szklane/epoksyd, włókno węglowe/epoksyd, kompozyty aramidowe).
• Wartość obliczona: Wytrzymałość na ścinanie pozorne międzywarstwowe oblicza się przy użyciu wzoru podanego w normie (jest to klasyczne podejście teorii belki do wyznaczania maksymalnego naprężenia ścinającego w krótkiej belce).
• Ważna uwaga: Uzyskana wartość nazywana jest pozorną wytrzymałością na ścinanie międzywarstwowe, ponieważ rozkład naprężeń nie jest idealnie czysty (występują również pewne naprężenia zginające). Dlatego wyniki nie są przeznaczone do ostatecznych pozwoleń na projekt ani obliczeń konstrukcyjnych. Są one natomiast bardzo przydatne do:
• Przesiewanie i porównywanie materiałów
• Kontrola jakości w trakcie produkcji.
• Monitorowanie spójności między partiami
• Ocena skutków przetwarzania, warunków środowiskowych lub uszkodzeń.

Konfiguracja testu wygląda następująco:

• Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa z trzypunktowym przyrządem do gięcia (dla podpór i końca obciążającego określone są konkretne średnice cylindrów).
• Precyzyjny pomiar wymiarów próbki, prędkości załadunku i warunków środowiskowych.
• Należy sprawdzić rodzaj uszkodzenia: prawidłowe wyniki powinny wskazywać na uszkodzenie wskutek ścinania międzywarstwowego (rozwarstwienie) zamiast zmiażdżenia, uszkodzenia wskutek rozciągania warstwy spodniej lub wyboczenia.

Normy ściśle powiązane z niniejszą normą obejmują:

• ASTM D2344/D2344M Standardowa metoda badania wytrzymałości wiązki krótkiej materiałów kompozytowych i laminatów o matrycy polimerowej.
• ISO 14125 Kompozyty z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami. Oznaczanie właściwości zginających.
• EN 2562 Seria lotnicza - Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym - Laminaty jednokierunkowe - Badanie zginania równoległego do kierunku włókien.
• EN 2563 Seria lotniczo-kosmiczna - Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym - Laminaty jednokierunkowe - Oznaczanie pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe.

Badanie to pozostaje jedną z najpowszechniejszych i najbardziej ekonomicznych metod oceny parametrów międzywarstwowych (na całej grubości) kompozytów laminowanych, szczególnie w kontekście kontroli jakości.

W skrócie, EN ISO 14130 to norma międzynarodowa, która określa metodę określania pozornej wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe kompozytów z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami za pomocą badania ścinania krótką belką. Norma ta jest szeroko stosowana w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, morskim i kompozytowym do oceny jakości połączeń między warstwami laminatu.

Głównym celem normy EN ISO 14130 jest pomiar odporności laminowanych materiałów kompozytowych na ścinanie międzywarstwowe. W kompozytach wzmacnianych włóknami, zniszczenie następuje zazwyczaj między warstwami (delaminacja), a nie w samych włóknach. Badanie to stanowi szybką metodę oceny:

• Wytrzymałość wiązania międzywarstwowego
• Jakość produkcji laminatów
• Efekty systemów żywicowych
• Wpływ wad produkcyjnych

Ponieważ próbka testowa jest stosunkowo niewielka, metoda ta jest użyteczna przy kontroli jakości i porównywaniu materiałów.

Norma ta wykorzystuje konfigurację zginania trzypunktowego o bardzo krótkiej rozpiętości. Pod obciążeniem belki rozkład naprężeń powoduje wysokie naprężenie ścinające między warstwami laminatu, co prowadzi do pęknięcia ścinającego między warstwami przed normalnym pęknięciem zginającym.

Norma EN ISO 14130 jest powszechnie stosowana przy ocenie następujących elementów:

• Kompozyty z włókna węglowego
• Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym
• Kompozyty z włókien aramidowych
• Laminaty kompozytowe termoutwardzalne i termoplastyczne

Typowe sektory zastosowań:

• Konstrukcje lotnicze
• Kompozytowe elementy samochodowe
• Łopaty turbin wiatrowych
• Morskie konstrukcje kompozytowe
• Wyposażenie sportowe

Nasza organizacja, dysponująca kompetentną i doświadczoną kadrą, od wielu lat rozumie potrzeby swoich klientów, zapewniając im zaawansowane usługi testowe, których potrzebują, oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie świadczymy również usługi testowe zgodne z normą EN ISO 14130.