Solid Particle Erosion Behavior of Carbon Fiber - Metal Wire Hybrid Reinforced Polymer Composites

Abstract

Carbon fiber reinforced composite materials (CFRP) are being widely used in aircraft parts and unmanned air vehicle (UAV) airframe production due to their high specific stiffness and strength. Besides their superior characteristics, they have a disadvantage of poor electrical conductivity when used in UAV airframes which subjected to lightning strike during their service life. In order to protect UAV airframe from lightning strike damage, adding a metal wire to CFRP composite is an alternative method. Moreover, UAV and aircraft airframe materials subjected to solid particle erosion damage during their service life also.Surface damage induced by solid particle erosion cause aerodynamic losses and result with increase in specific fuel consumption or shortening of maximum air vehicle range. Also worn body could be lost its lightning strike residence. It is evident that there is no much literature study about CFRP - metal wire hybrid reinforced composites solid particle erosion behavior. The aim of this study is to characterize the solid particle erosion behavior of CFRP - metal wire hybrid reinforced composite and analyze the post wear damage induced in the surface of the samples. Solid particle tests were performed according to ASTM G 76 standard in a specially designed test rig.Mass loss and erosion rate measurements after tests were done and damage mechanisms were discussed. Surface roughness analysis of specimens before and after solid particle erosion tests were performed by using 3D non-contact laser profilometer.

Keywords

• Solid particle erosion,Carbon fiber-metal wire hybrid reinforced composite,Unmanned air vehicle

Karbon Fiber-Metal Tel Örgü Hibrit Kompozitlerin Katı Partikül Erozyonu Davranışları

Abstract

Karbon fiber güçlendirilmiş kompozitler hava araçlarının parçalarında ve insansız hava araçlarının (İHA) gövde yapılarında yüksek fiziksel özellikleri ve mekanik dayanıklılıklarından dolayı sıklıkla kullanılmaktadır.Bu üstün özelliklerinin yanında yıldırıma maruz kalmış bir İHA da yetersiz elektrik iletkenliği gösterirler.Karbon fiber güçlendirilmiş kompozitlere metal bir tel örgü eklemek İHA gövde yapılarını yıldırım hasarından korumak için alternatif bir yöntemdir.Diğer yandan İHA ve hava aracı gövde yapıları servis süreleri boyunca katı partikül erozyonuna da maruz kalırlar.Katı partikül erozyonunundan kaynaklanan yüzey hasarları aerodinamik kayıplara dolayısıyla yakıt tüketiminin artmasına ve hava araçlarının menzilinin kısalmasına sebep olur.Aynı zamanda hasarlı kısımlar yıldırım direncinin de azalmasına sebep olacaktır.Literatürde karbon fiber-metal örgü hibrit güçlendirilmiş kompozitlerin katı partikül erozyonuyla ilgili yeterli sayıda çalışma yoktur.Bu çalışmanın amacı bu kompozitlerin katı partikül erozyonu davranışlarını karakterize etmek ve numune yüzeylerinde oluşan aşınma hasarını analiz etmektir.Katı partikül testleri ASTM G 76 standartlarına göre dizayn edilmiş test düzeneklerinde yapılmıştır. Testlerden sonra ağırlık kaybı ve erozyon ölçümleri yapılmış, hasar mekanizmaları tartışılmıştır.Katı partikül testlerinden önceki ve sonraki numunelerin yüzey pürüzlenmesinin analizi temassız üç boyutlu lazer profilometre kullanılarak yapılmıştır.

Keywords

• Katı Partikül Erozyonu,Karbon Fiber-Metal Örgü Hibrit Kompozit İnsansız Hava Aracı

References

1. [1] M. Takaffoli and M. Papini, “Numerical simulation of solid particle impacts on Al6061-T6 Part II: Materials removal mechanisms for impact of multiple angular particles,” Wear, vol. 296, no. 1–2, pp. 648–655, 2012.
2. [2] H. Kawakami and P. Feraboli, “Lightning strike damage resistance and tolerance of scarf-repaired mesh-protected carbon fiber composites,” Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 42, no. 9, pp. 1247–1262, 2011.
3. [3] E. Rupke, “Lightning direct effects handbook,” Rept. AGATE-WP3.1-031027-043-Design Guidel., 2002.
4. [4] FAA, “DOT/FAA/CT-89/22 Aircraft Lightning Protection Handbook,” Fed. Aviat. Adm., no. September, 1989.
5. [5] D. Tolerance and M. Workshop, “Damage Tolerance and Maintenance,” Composites, 2006.
6. [6] S. Arjula, A. P. Harsha, and M. K. Ghosh, “Erosive wear of unidirectional carbon fibre reinforced polyetherimide composite,” Mater. Lett., vol. 62, no. 17–18, pp. 3246–3249, 2008.