Investigating the Mechanical Behavior of Joints of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites

Abstract

In this study, after bonding polymer matrix composite joints via different methods, the effect of the methods to tensile force were investigated. Firstly, tensile test specimens of plain weaved carbon fiber fabric reinforced epoxy composite were manufactured. Hot pressing after hand layup method were utilized in production. Specimens were sized in accordance with the ASTM D412 standard. Each sample were cut into half and bonded with different methods. Bonding methods include fastening with bolts, bonding with a low-cost two-component adhesive, widely available in the market, bonding with lamination resin from which the composite material is produced by, and bonding with the same lamination resin with carbon fiber powder. Bonded specimens were subjected to tensile test according to compare joint forces. While the breaking force of the region joined by the bolts gives the least value, the tensile strength of the regions bonded with the low-cost two-component adhesive that can be found in the market has the highest value and these values are 2278,67 N and 12062 N, respectively.

Keywords

• Epoxy
• Carbon fiber
• Joint
• Tensile strength

Karbon Fiber Takviyeli Epoksi Matrisli Kompozitlerin Bağlantı Bölgelerinin Mekanik Davranışlarının İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada polimer matrisli kompozit malzeme parçalarının farklı yöntemlerle birleştirilmesi sonrası, farklılıkların birleşme bölgesinin çekme kuvvetine etkileri incelenmiştir. Öncelikle çift yönlü dokumaya sahip karbon fiber kumaş takviyeli epoksi kompozit çekme testi numuneleri üretilmiştir. Kompozit numune üretiminde elle yatırma sonrası sıcak presle presleme yöntemi kullanılmıştır. Üretilen numuneler ASTM D412 standardına uygun ölçülerde boyutlandırılmıştır. Numuneler tam ortadan ikiye bölünerek farklı yöntemlerle birleştirilmiştir. Birleştirme yöntemleri vida ile vidalama, piyasada yaygın olarak bulunabilen az maliyetli bir çift bileşenli yapıştırıcı ile yapıştırma, kompozit malzemenin üretildiği laminasyon reçine ile yapıştırma ve aynı laminasyon reçinenin karbon fiber tozu ile katkılandırılarak yapıştırılması şeklindedir. Yapıştırılan numuneler çekme testine tâbi tutularak birleşme kuvvetleri karşılaştırılmıştır. Vida ile birleştirilen bölgenin kopma kuvveti en az değeri verirken piyasada yaygın olarak bulunabilen az maliyetli çift bileşenli yapıştırıcı ile yapıştırılan bölgelerin kopma kuvveti en yüksek değeri vermiştir ve bu değerler sırasıyla 2278,67 N ve 12062 N’dur. Yapılan çalışma kapsamında en düşük kuvvet değeri vidalama tekniği ile birleştirilen numunelerde, en yüksek değer ise çift bileşenli yapıştırıcı ile birleştirilen numunelerde gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Epoksi
• Karbon fiber
• Birleşme bölgesi
• Çekme mukavemeti

References

1. Ashcroft, I.A., Hughes, D.J., Shaw, S.J., Adhesive bonding of fibre reinforced polymer composite materials. Assembly Automation, 2000.
2. Banea, M.D., Da Silva, L.F., Adhesively bonded joints in composite materials: an overview. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications,223(1), 1-18, 2009.
3. Bowen, R.L., Eichmiller, F.C., Marjenhoff, W.A., Rupp, N.W., Adhesive bonding of composites. J Am Coll Dent, 56, pp.10-13, 1989.
4. Clarke, J.L., Structural design of polymer composites: Eurocomp design code and background document. CRC Press, 2003.
5. Collings, T.A., On the bearing strengths of CFRP laminates. Composites, 13(3), 241-252, 1982.
6. Collings, T.A., Mead, D.L., Stone, D.E.W., The effects of high temperature excursions on environmentally exposed CFC. In Composite Structures 4, 345-374, Springer, Dordrecht, 1987.
7. Dai Gil Lee, Kwon, J.W., Cho, D.H., Hygrothermal effects on the strength of adhesively bonded joints. Journal of adhesion science and technology, 12(11), 1253-1275, 1998.
8. Encinas, N., Oakley, B.R., Belcher, M.A., Blohowiak, K.Y., Dillingham, R.G., Abenojar, J., Martínez, M.A., Surface modification of aircraft used composites for adhesive bonding. International Journal of Adhesion and Adhesives,50, 157-163, 2014.

9. Hart-Smith, L.J., Adhesive bonding of composite structures-progress to date and some remaining challenges. Journal of Composites, Technology and Research, 24(3), 133-151, 2002.
10. Joseph, A.P., Davidson, P., Waas, A.M., Progressive damage and failure analysis of single lap shear and double lap shear bolted joints. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 113, 264-274, 2018.
11. Kelly, G., Quasi-static strength and fatigue life of hybrid (bonded/bolted) composite single-lap joints. Composite structures, 72(1), 119-129, 2006.
12. Kim, K.S., Yoo, J.S., Yi, Y.M., Kim, C.G., Failure mode and strength of uni-directional composite single lap bonded joints with different bonding methods. Composite structures, 72(4), 477-485, 2006.
13. Kweon, J.H., Jung, J.W., Kim, T.H., Choi, J.H., Kim, D.H., Failure of carbon composite-to-aluminum joints with combined mechanical fastening and adhesive bonding. Composite structures, 75(1-4), 192-198, 2006.
14. Pantelakis, S., Tserpes, K.I., Adhesive bonding of composite aircraft structures: Challenges and recent developments. Science China Physics, Mechanics and Astronomy, 57(1), 2-11, 2014.
15. Paranjpe, N., Alamir, M., Alonayni, A., Asmatulu, E., Rahman, M. M., Asmatulu, R., Strength and failure analysis of composite-to-composite adhesive bonds with different surface treatments. In Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials and Composites XII. International Society for Optics and Photonics, Vol. 10596, p. 105961K, 2018.
16. Prabhakaran, R., Photoelastic investigation of bolted joints in composites. Composites, 13(3), 253-256, 1982.
17. Schwartz, L.M., Effective medium theory of electrical conduction in two-component anisotropic composites. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 207(1-3), 131-136, 1994.
18. Thoppul, S.D., Finegan, J., Gibson, R.F., Mechanics of mechanically fastened joints in polymer–matrix composite structures–a review. Composites Science and Technology, 69(3-4), 301-329, 2009.
19. Todd, S.M., Joining thermoplastic composites. Society for the Advancement of Material and Process Engineering, 383-392, 1990. Vinson, J.R., Mechanical fastening of polymer composites. Polymer Engineering & Science, 29(19), 1332-1339, 1989.