Improving the impact resistance of a polymer composite material based on epoxy prepreg through the addition of nonwoven material based on polyamide 12


Cite item

Full Text

Abstract

the effect of introducing nonwoven material based on polyamide PA 12-E on the mechanical properties of polymer composite materials based on the epoxy autoclave prepreg T107 was investigated. The presence of the nonwoven material slightly lowers the glass transition temperature to 171 ℃, which does not affect the feasibility of using the material up to the maximum operating temperature of 120 ℃. Electron microscopy studies of the composite's cross-sections revealed uniform distribution of the thermoplastic phase between the layers of carbon fabric as well as high adhesion of polyamide to the epoxy matrix. It was demonstrated that introducing nonwoven material does not lead to a reduction in the mechanical properties of the composites. The main advantage of composites based on nonwoven material is their enhanced resistance to impact loads. Under a free impact with energy of 6.67 J per 1 mm of the specimen, a through penetration with fiber destruction was observed in the sample without the nonwoven material, while for the sample with nonwoven material, the damage was characterized by delamination without fiber damage. The compressive strength after impact increased from 257 to 326 MPa with the introduction of nonwoven material. As a result, the proposed modification of commercial prepreg could expand the range of applications for the material and improve safety, particularly in aircraft structures.

About the authors

A. A Kondratyeva

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0002-2892-522X

O. S Morozov

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0003-3852-1066

E. M Erdni-Goryaev

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0009-0004-9998-4982

E. S Afanasyeva

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0009-0008-5491-1156

A. V Babkin

LLC "ITEKMA"

ORCID iD: 0000-0003-2309-4524

A. V Kepman

LLC "ITEKMA"

ORCID iD: 0009-0007-7050-9274

V. V Avdeev

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0001-5573-2987

References

  1. Королевич В.В. Перспективы использования композитных материалов в машиностроительных и авиакосмических конструкциях // Технологическая независимость Союзного государства и конкурентоспособность. 2023. Т. 2. С. 220 – 224.
  2. Hegde S., Satish Shenoy B., Chethan K.N. Review on carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and their mechanical performance // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19. P. 658 – 662.
  3. Zheng H., Zhang W., Li B., Zhu J., Wang C., Song G., Wu G., Yang X., Huang Y., Ma L. Recent advances of interphases in carbon fiber-reinforced polymer composites: A review // Composites Part B: Engineering. 2022. Vol. 233. P. 109639.
  4. Калгин А.В., Калинин Ю.Е., Кудрин А.М., Малюченков А.В., Панин Ю.В., Ситников А.В. Перспективы развития производства авиационных деталей из полимерных композиционных материалов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. С. 146 – 153.
  5. Кондрашов С.В., Шашкеев К.А., Петрова Г.Н., Мекалина И.В. Полимерные композиционные материалы конструкционного назначения с функциональными свойствами // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 5. С. 405 – 419.
  6. Валуева М.И., Гуляев И.Н. Обзор публикаций по разработкам лопаток из полимерных композиционных материалов для вентилятора авиационного двигателя // Вестник машиностроения. 2019. № 2 (306). С. 34 – 41.
  7. Крылов В.Д., Яковлев Н.О., Курганова Ю.А., Лашов О.А. Межслоевая трещиностойкость конструкционных полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2016. № 1 (40). С. 79 – 85.
  8. Li Y., Hori N., Arai M., Hu N., Liu Y., Fukunaga H. Improvement of interlaminar mechanical properties of CFRP laminates using VGCF // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2009. Vol. 40, № 12. P. 2004 – 2012.
  9. Li H., Chen W., Xu J., Li J., Gan L., Chu X., Yao Y., He Y., Li B., Kang F., Du H. Enhanced thermal conductivity by combined fillers in polymer composites // Thermochimica Acta. 2019. Vol. 676. P. 198 – 204.
  10. Колобков А.С. Влияние нетканых термопластичных материалов на прочность слоистых полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 9. С. 44 – 51.
  11. Zhang J., Wang Y., Wang X., Ding G., Pan Y., Xie H., Chen Q., Cheng R. Effects of amino-functionalized carbon nanotubes on the properties of amine-terminated butadiene-acrylonitrile rubber-toughened epoxy resins // Journal of Applied Polymer Science. 2014. Vol. 131. № 13. P. 1 – 7.
  12. Newman B., Creighton C., Henderson L.C., Stojcevski F. A review of milled carbon fibres in composite materials // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2022. Vol. 163. P. 107249.
  13. Dong J., Jia C., Wang M., Fang X., Wei H., Xie H., Zhang T., He J., Jiang Z., Huang Y. Improved mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy composites by growing carbon black on carbon fiber surface // Composites Science and Technology. 2017. Vol. 149. P. 75 – 80.
  14. Pappa E.J., Quinn J.J., Murray J.J., Davidson J.R., O’Bradaigh C.M., McCarthy E.D. Experimental study on the interlaminar fracture properties of carbon fibre reinforced polymer composites with a single embedded toughened film // Polymers. 2021. Vol. 13. № 23.
  15. Sohn M.S., Hu X.Z. Mode II delamination toughness of carbon-fibre/epoxy composites with chopped Kevlar fibre reinforcement // Composites Science and Technology. 1994. Vol. 52. № 3. P. 439 – 448.
  16. Кутовая И.В., Полякова Д.И., Эрдни-Горяев Э.М., Липатов Я.В., Афанасьева Е.С., Морозов О.С., Бабкин А.В., Кемпан А.В. Повышение трещиностойкости углепластиков на основе фталонитрилов введением нетканых полиамидных материалов // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2023. Т. 65. № 5. С. 363 – 371.
  17. Кутовая И.В., Алексанова А.А., Эрдни-Горяев Э.М., Липатов Я.В., Афанасьева Е.С., Морозов О.С., Бабкин А.В., Кемпан А.В. Повышение трещиностойкости углепластиков введением термопластичной фазы в эпоксидную матрицу // Журнал прикладной химии. 2023. Т. 96. № 4. С. 403 – 412.
  18. Мейрбеков М.Н., Исмаилов М.Б. Влияние каучука на механические свойства эпоксидной смолы и углепластика (обзор) // Вестник машиностроения. 2020. № 1 (312). С. 11 – 21.
  19. Водовозов Г.А., Мараховский К.М., Костромина Н.В., Осипчик В.С., Аристов В.М., Кравченко Т.П. Разработка эпокси-каучуковых связующих для создания армированных композиционных материалов // Пластические массы. 2017. № 5-6. С. 9 – 13.
  20. Кузнецова В.А. Влияние эластомерного модификатора на механические и вязкоупругие свойства эпоксидно-каучуковых композиций для эрозионностойких покрытий // Защитные и функциональные покрытия. 2020. Т. 2. № 59. С. 56 – 62.
  21. Zhang J., Xie X. Influence of addition of silica particles on reaction-induced phase separation and properties of epoxy/PEI blends // Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42, № 8. P. 2163 – 2169.
  22. Zhou S., Chen Z., Tusiime R., Cheng C., Sun Z., Xu L., Liu Y., Jiang M., Zhou J., Zhang H., Yu M. Highly improving the mechanical and thermal properties of epoxy resin via blending with polyetherketone cardo // Composites Communications. 2019. Vol. 13. P. 80 – 84.
  23. Palazzetti R., Zucchelli A. Electrospun nanofibers as reinforcement for composite laminates materials – A review // Composites Structures. 2017. Vol. 182. P. 711 – 727.
  24. Новиков Г.В. Оценка межслоевой трещиностойкости армированных слоистых ПКМ экспериментальными и численными методами: дис. … канд. техн. наук: 05.16.09. М., 2020. 128 с.
  25. Mujika F., De Benito A., Fernandez B., Vazquez A., Llano-Ponte R., Mondragon I. Mechanical properties of carbon woven reinforced epoxy matrix composites. A study on the influence of matrix modification with polysulfone // Polymer Composites. 2002. Vol. 23, № 3. P. 372 – 382.
  26. Ramji A., Xu Y., Yasaee M., Grasso M., Webb P. Influence of veil interleave distribution on the delamination resistance of cross-ply CFRP laminates under low velocity impact // International Journal of Impact Engineering. 2021. Vol. 157. P. 103997.
  27. Beylergil B., Tanoğlu M., Aktaş E. Effect of polyamide-6,6 (PA 66) nonwoven veils on the mechanical performance of carbon fiber/epoxy composites // Composites Structures. 2018. Vol. 194. P. 21 – 35.
  28. Brugo T., Palazzetti R. The effect of thickness of Nylon 6,6 nanofibrous mat on Modes I–II fracture mechanics of UD and woven composite laminates // Composites Structures. 2016. Vol. 154. P. 172 – 178.
  29. Gulyaev A.I., Yakovlev N.O., Oreshko E.I. Fractography features of interlaminar crack growth in carbon fibre reinforced plastic under various mode loading // Труды ВИАМ. 2019. № 12. С. 99 – 108.
  30. Кудрин А.М., Караева О.А., Габриельс К.С., Солопченко А.В. Определение предела прочности полимерного композиционного материала на сжатие после удара в соответствии со стандартом ASTM D 7137 // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 2. С. 164 – 169.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).