An experimental study on the low energy impact behavior of different number of layer e-glass/epoxy composites

Abstract

Composite materials are increasingly used in structural applications due to the high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and design flexibility they offer; however, susceptibility to impact damage remains a critical concern, particularly in layered configurations. In the present research, low-velocity impact experiments were performed on 8-layer and 16-layer unidirectional E-glass/epoxy composite plates with [+45/-45/90/0]s and [+45/-45/90/0]2s stacking sequences, which were manufactured using the vacuum-assisted hand lay-up method, at impact energy levels of 10, 20, and 30 J. Findings indicated that a rise in impact energy resulted in an increase in maximum contact force and energy absorption for both 8-layer and 16-layer composite plates, with no noticeable change in bending rigidity. At the same energy level, an increase in the number of layers enhanced the maximum contact force and bending rigidity of the composite plates, whereas displacement and the amount of energy absorbed by the material decreased. For all energy levels, the damage observed in the 8-layer composite plates spread over a wider area compared to the damage in the 16-layer plates.

Keywords

• Layered composite
• E-glass
• Low-velocity impact
• Layer number
• Damage analysis

Farklı katman sayısındaki e-cam/epoksi kompozitlerin düşük enerjili darbe davranışı üzerine deneysel bir çalışma

Abstract

Kompozit malzemeler, yüksek özgül dayanım, korozyon direnci ve tasarım esnekliği gibi avantajları sayesinde yapısal uygulamalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır; ancak, özellikle tabakalı yapılarda darbe hasarına karşı duyarlılık önemli bir endişe kaynağı olmaya devam etmektedir. Bu çalışmada, vakum destekli el yatırma yöntemiyle üretilen [+45/-45/90/0]s ve [+45/-45/90/0]2s tabakalama dizilimlerine sahip 8 ve 16 tabakalı tek yönlü E-cam/epoksi kompozit plakalara 10, 20 ve 30 J’lük düşük hızlı darbe testleri uygulanmıştır. Bulgular, darbe enerjisindeki artışın hem 8 tabakalı hem de 16 tabakalı kompozit plakalar için maksimum temas kuvvetinde ve enerji absorpsiyon miktarında artışa yol açtığını, ancak eğilme rijitliğinde belirgin bir değişim meydana getirmediğini göstermiştir. Aynı darbe enerjisi seviyesinde, tabaka sayısındaki artış kompozit plakaların maksimum temas kuvvetini ve eğilme rijitliğini artırırken, deplasman ve malzeme tarafından soğurulan enerji miktarında azalmaya neden olmuştur. Tüm enerji seviyelerinde, 8 tabakalı kompozit plakalarda oluşan hasarın, 16 tabakalı plakalarda oluşan hasara göre daha geniş bir alana yayıldığı gözlemlenmiştir.

Keywords

• Tabakalı kompozit
• E-camı
• Düşük hızlı darbe
• Tabaka sayısı
• Hasar analizi

References

1. Gunoz A, Kara M (2024) Mechanical behavior of the polyamide 6.6 nanofiber and MWCNT‐reinforced hybrid nanocomposites. Polym Comp 45:4693‒4708. https://doi.org/10.1002/pc.28090
2. Fotouhi S, Jalalvand M, Wisnom MR, Fotouhi M (2023) Smart hybrid composite sensor technology to enhance the detection of low energy impact damage in composite structures. Compos - A: Appl Sci Manuf 172:107595. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107595
3. Laux T, Gan KW, Dulieu-Barton JM, Thomsen OT (2020) Ply thickness and fibre orientation effects in multidirectional composite laminates subjected to combined tension/compression and shear. Compos - A: Appl Sci Manuf 133:105864. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105864
4. Ismail MF, Sultan MTH, Hamdan A, Shah AUM, Jawaid M (2019) Low velocity impact behaviour and post-impact characteristics of kenaf/glass hybrid composites with various weight ratios. J Mater Res Technol 8:2662‒2673. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.04.005
5. Gunoz A, Kur M, Kara M (2024) Impact response of hybrid composites under varying environmental conditions: A comparative study. Polym Comp 45:12481‒12494. https://doi.org/10.1002/pc.28650
6. Öndürücü A, Karacan A (2018) Tabakalı cam elyaf/epoksi kompozitlerin darbe davranışının deneysel olarak incelenmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 6:435‒447. https://doi.org/10.21923/jesd.363292
7. Esendemir Ü, Caner AY (2017) Tabakalı kompozit malzemelerin darbe davranışının deneysel olarak incelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 22:207‒215. https://doi.org/10.19113/sdufbed.72732
8. Uyaner M, Kara M, Ataberk N (2007) E-camı/epoksi tabakalı kompozitlerin düşük hızlı darbe davranışına numune boyutlarının etkisi. 8. Uluslararası Kırılma Konferansı, İstanbul, Türkiye.

9. Esendemir Ü, Erbil A (2022) Kompozit plakaların darbe davranışını etkileyen faktörler üzerine bir çalışma. MCBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi 33:42‒55. https://doi.org/10.47118/somatbd.1118204
10. Karakuzu R, Erbil E, Aktas M (2010) Impact characterization of glass/epoxy composite plates: An experimental and numerical study. Compos - B: Eng. 41:388‒395. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2010.02.003
11. Yapıcı A, Yapıcı İ (2012) E-camı/epoksi tabakalı kompozitlerde düşük hızlı darbe davraşının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 1:48‒60. https://doi.org/10.28948/ngumuh.239393
12. Uyaner M, Kara M (2016) E-camı/epoksi kompozit boruların darbe cevabına vurucu geometrisinin etkisi. Anadolu Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi A- Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik 17:512‒520. https://doi.org/10.18038/btda.68342
13. Reddy TS, Reddy PRS, Madhu V (2019) Low velocity impact studies of E-glass/epoxy composite laminates at different thicknesses and temperatures. Def Technol 15:897‒904. https://doi.org/10.1016/j.dt.2019.02.003
14. Russo P, Langella A, Papa I, Simeoli G, Lopresto V (2017) Thermoplastic polyurethane/glass fabric composite laminates: Low velocity impact behavior under extreme temperature conditions. Compos Struct 166:146‒152. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.01.054
15. Saylık A, Temiz Ş (2022) Low-speed impact behavior of fiber-reinforced polymer-based glass, carbon, and glass/carbon hybrid composites. Mater Test 64:820‒831. https://doi.org/10.1515/mt-2021-2179
16. Yalkın HE, Karakuzu R, Alpyıldız T (2020) Experimental and numerical behaviors of GFRP laminates under low velocity impact. J Compos Mater 54:2999‒3007. https://doi.org/10.1177/0021998320906871
17. Ayten AI, Haque BZ (2024) Determination of progressive damage modelling parameters and calibration studies of 8-harness satin weave S-2 glass fibre reinforced composites. Plast Rubber Compos 53:71-84. https://doi.org/10.1177/14658011241231551
18. Liao B, Zhou J, Ai S, Lin Y, Xi L, Cao Y, Xiao D (2021) Comparison of laminate thickness on the low velocity impact behaviors for Z-pinned composite laminates. Int J Mech Sci 204:106567. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106567
19. Reddy TS, Mogulanna K, Reddy KG, Reddy PRS, Madhu V (2019) Effect of thickness on behaviour of E-glass/epoxy composite laminates under low velocity impact. Procedia Struct Integr 14:265-272. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2019.05.034
20. Evci C (2015) Thickness-dependent energy dissipation characteristics of laminated composites subjected to low velocity impact. Compos Struct 133:508-521. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.07.111
21. Rezasefat M, Gonzalez-Jimenez A, Ma D, Vescovini A, Lomazzi L, da Silva AA, Amico SC, Manes A (2022) Experimental study on the low-velocity impact response of inter-ply S2-glass/aramid woven fabric hybrid laminates. Thin-Walled Struct 177:109458. https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109458
22. Subadra SP, Griskevicius P, Yousef S (2020) Low velocity impact and pseudo-ductile behaviour of carbon/glass/epoxy and carbon/glass/PMMA hybrid composite laminates for aircraft application at service temperature. Polym Test 89:106711. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106711
23. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event (2015) American Society for Testing and Materials ASTM, D7136M–15.
24. Uyaner M, Kara M, Kepir Y, Gunoz A (2023) Virtual testing of laminated composites subjected to low-velocity impact. Iran J Sci Technol - Trans Mech 47:595–610. https://doi.org/10.1007/s40997-022-00527-8
25. Uyaner M. Test to graph. Mendeley Data 2021; V2. https://data.mendeley.com/datasets/gydhpktxjk/2. Erişim 1 June 2025.
26. Abrate S (1998) Impact on composite structures. Cambridge University Press, Kingdom of England.
27. Babu LS, Kumar KA, Christiyan KJ, Byary MA, Puranic VM, Jawad AM, Poojary N (2023) Effect of laminate thickness on low-velocity impact of GFRP/epoxy composites. Mater Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.08.229
28. Uyaner M, Kara M (2007) Dynamic response of laminated composites subjected to low-velocity impact. J Compos Mater 41:2877‒2896. https://doi.org/10.1177/0021998307079971
29. Gunoz A, Kara M (2024) Damage behavior of functionally graded kevlar/carbon epoxy nanocomposites reinforced with polyamide 6.6 nanofiber and MWCNTs subjected to low-velocity impact. Int J Damage Mech early access. https://doi.org/10.1177/10567895241305324
30. Kara M (2006) Düşük hızlı darbeye maruz tabakalı kompozitlerin dinamik cevabı. Yüksek lisans tezi, Selçuk Üniversitesi.
31. Kepir Y, Gunoz A, Kara M (2022) Nonpenetrating repeated impact effect to the damage behavior of prestressed glass/epoxy composite pipes. Polym Compos 43:5047‒5058. https://doi.org/10.1002/pc.26777