EN Non-destructive testing methods of hybrid polymer composites

polish

PL W niniejszej pracy analizowano możliwość zastosowania nieniszczącej metody badawczej cyfrowej laserowej wibrometrii holograficznej do wykrywania defektów w połączeniach polimer-metal wyłącznie adhezyjnych, adhezyjnych i mechanicznych oraz adhezyjnych z warstwą pośrednią. Ocenie poddano połączenia polimerów z metalami, w których częścią metalową – dobrze przenoszącą drgania – była stal DC04 lub aluminium AW-6061 albo AW-5754, a częścią polimerową poliamid 6 (PA6), poliamid 6 z 10-procentwym dodatkiem miki (PA6/10M) lub talku (PA6/10T) (Tarnamid T-27, Grupa Azoty; Mica 30, Talc Extra 10, Aurum Chemicals, Katowice, Polska), polilaktyd (PLA, Ingeo Biopolymer 6400D), polifluorek winylidenu (PVDF, Arkema Kynar Flex 3312 C), poliwęglan (PC, Lotte Advanced Materials Infino S.C.-1220UR) lub mieszanina polietylenu i poliamidu (LDPE/PA6) z różnym udziałem kompatybilizatora PE-g-MAH. Połączenie obu materiałów było realizowane poprzez złącze adhezyjne uzyskane poprzez proces wtryskiwania lub prasowanie na gorąco przy użyciu prasy hydraulicznej. Badaniom poddano także połączenia z warstwą pośrednią w postaci kleju epoksydowego. Oceniano również połączenie adhezyjno-mechaniczne uzyskane poprzez nawiercenie otworów w stalowej płytce wypełnionych tworzywem polimerowym w procesie wtryskiwania. W standardowych badaniach wibrometrycznych podczas pomiaru widoczna jest tylko jedna strona próbki. Na potrzeby badań prowadzonych w ramach pracy doktorskiej, skonstruowano stanowisko pomiarowe umożliwiające jednoczesną obserwację obu stron złącza (polimerowej i metalowej) w trakcie rejestracji drgań w czasie rzeczywistym. Zaobserwowano istotne różnice w uzyskanych rozkładach drgań mierzonych z nanometryczną osiową zdolnością rozdzielczą dla połączeń bez i z defektem. Wady połączeń uwidaczniały się poprzez lokalną zmianę amplitudy i fazy drgań w miejscu występowania rozwarstwienia. Umożliwiało to wykrycie i lokalizację ukrytych defektów złą-cza. Amplituda wzbudzonych drgań, nieprzekraczająca 40 nm, gwarantowała nieniszczący charakter badań. Określono również prędkość fal Lamba propagujących się w części metalowej i polimerowej badanych próbek w zakresie niskich częstotliwości ultradźwiękowych. W przypadku częstotliwości wzbudzenia do 30 kHz, zaobserwowano propagacje wyłącznie antysymetrycznych fal Lamba zerowego rzędu A0. Zbadano również właściwości transmisyjne połączeń dla niskich częstotliwości wzbudzenia pod kątem: zakresu częstotliwości, dla którego możliwa była obserwacja regularnych fal Lamba, wartości amplitud fal Lamba oraz prędkości ich propagacji w zależności od częstotliwości wzbudzenia. Wykazano, że właściwości te zmieniają się w przypadku wystąpienia defektu połączenia. Nawet jeśli defektu nie można było zlokalizować za pomocą cyfrowej wibrometrii holograficznej, nadal na podstawie różnic krzywych dyspersyjnych możliwe było stwierdzenie, czy połączenie polimer-metal było uszkodzone. Potwierdzenia poprawności tego, dotąd niestosowanego podejścia, dokonano za po-mocą innej, niezależnej metody, jaką jest szerografia. Wyniki badań pokazały, że użycie cyfrowej laserowej wibrometrii holograficznej po-zwala na skuteczne wykrywanie ukrytych defektów złączy polimer-metal. Na ich podstawie uzyskuje się również informacje o podatności próbek z połączeniem polimer-metal na wymuszenie drgań w danym zakresie częstotliwości wzbudzenia. Nieniszczący charakter metody, umożliwia ponadto poddanie próbek kolejnym badaniom. Pomiary wibrometryczne są krótkie, a podstawowe wyniki uzyskuje się w czasie rzeczywistym, co jest ważnym czynnikiem przy rutynowym testowaniu komponentów i ewentualnym zastosowaniu tej metody w kontroli produkcji.

EN In the paper, the possibility of using digital holographic vibrometry (DHV) as a non-destructive research method to detect debonding areas in polymer-metal laminates connected only adhesively, adhesively with additional mechanical interlocks or with glue layer was examined. Polymer-metal laminates made of various kinds of polymers and metals were tested – as a metal part: DC04 steel, aluminum AW-6061 or AW-5754 were used; as a polymer part: polyamide 6 (PA6), polyamide 6 with the 10% addition of mica (PA6/10M) or talc (PA6/10T) (Tarnamid T-27, Grupa Azoty; Mica 30, Talc Extra 10, Aurum Chemicals, Katowice, Poland), polylactide (PLA, Ingeo Biopolymer 6400D), polyvinylidene fluoride (PVDF, Arkema Kynar Flex 3312 C), polycarbonate (PC, Lotte Advanced Ma-terials Infino S.C.-1220UR) or a polyethylene/polyamide blends (LDPE/PA6) with different value of PE-g-MAH compatibilizer. Samples with the connection provided by pure adhesion or adhesion reinforced by mechanical interlocks (two or three holes drilled in the steel plates) made resp. by compression molding and by injection molding, as well as the one made with an epoxy glue interlayer were studied. In the standard holographic vibrometric set-up only one side of the sample can be seen during a measurement. For the purpose of this study the set-up was improved to enable real-time vibration observation of both sides of the sample simultaneously. Clear differences could be observed in the phase of vibration patterns and amplitudes, registered with nanometric axial resolution, between a correct and a defective adhesive connection. Connection defects could be detected by a local change of the vibration amplitude and/or phase, even when hidden from view for the observer. The amplitudes of the oscillations excited in the samples were up to 40 nm providing non-destructive nature of the tests. To detect the possible defects of the joints, the velocity of the Lamb waves was simultaneously determined on the metal and the polymer side of the samples by means of digital holographic vibrometry. At low frequencies (up to 30 kHz), only antisymmetric A0 Lamb waves were excited and the amplitude and the phase patterns of the vibration of the sample were registered. Based on these patterns debonding areas in laminates were localized. The transmission properties at low frequencies excitations were also studied in terms of: the frequency range for which regular Lamb waves have been observed, Lamb wave amplitudes and Lamb wave propagation velocity depending on the excitation frequency. It has been shown that these properties also change when a defect occurs in the laminate. Even when the defect could not be localize by means of DHV, it was still possible to detect the defect, if a sample was damaged based on the obtained dispersion curves. While it was not always possible to localize perfectly the position of defects with holographic vibrometry, the second independent non-destructive testing method, shearography, was used as a confirmation of the correctness of this previously unused approach. DHV method proved to be a non-destructive test method, allowing detection of invisible defects in polymer-metal connections. Based on that method, information about response of such connections to a vibration in specific range of frequency can be obtained. Non-destructive nature of this method, allows further (re)use of the samples after testing, or being studied with other test methods. Measurements are fast and preliminary results are obtained in real-time, which is an important factor for routine testing of components in an industrial production environment.

123

engineering and technical sciences

materials engineering

DrOIN 2246

to2023998752

Download file

public

Elżbieta Piesowicz

Szczecin, Polska

10.02.2023

polish

Download file

public

Joanna Ryszkowska

Warszawa, Polska

20.02.2023

polish

Download file

public

Piotr Rytlewski

Bydgoszcz, Polska

24.02.2023

polish

Download file

public

dissertation

Poznań, Polska

11.05.2023

Rada Dyscypliny Inżynieria Materiałowa Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria materiałowa