CAPITOLUL 11

METODE EXPERIMENTALE PENTRU ANALIZA STĂRII DE TENSIUNEŞI DEFORMAŢIE A STRUCTURILOR DIN MATERIALE COMPOZITE

Metodele şi tehnicile experimentale de investigare sunt utilizate atât pentru obţinerea unor informaţii precise privind starea de tensiune şi deformaţie din materialele structurii, cât şi pentru punerea în evidenţă a mecanismelor de cedare a structurilor.

În funcţie de natura problemei studiate şi de scopul urmărit, în practica experimentală se operează cu o mare varietate de tehnici de investigaţie şi cu combinaţii ale acestora, dintre care cele mai utilizate sunt:

- tensometria electro-rezistivă;- metode fotoelastice;- metode moiré;- metode termografice;- metode radiografice;- metode ultrasonice;- metoda emisiei acustice.Toate aceste tehnici şi metode pot fi aplicate şi pentru efectuarea unor

determinări şi analize pe structuri din materiale compozite, ţinând seama de anumite particularităţi constitutive ale materialului structurii, legate de ortotropie, neomogenitate şi rigiditate, care impun ajustări corespunzătoare, atât în ceea ce priveşte utilizarea metodei experimentale propriu-zise, cât şi în interpretarea rezultatelor măsurărilor.

În ultimii ani au apărut şi s-au dezvoltat tehnici experimentale specifice materialelor compozite.

11.1 Metode experimentale clasice aplicate structurilor din materiale compozite stratificate armate cu fibre

11.1.1 Tensometria electro-rezistivă

Tensometria electro-rezistivă este una din cele mai utilizate tehnici experimentale, utilizată atât pentru determinarea caracteristicilor elastice ale structurilor compozite, cât şi pentru studiul comportării acestora sub acţiunea încărcărilor exterioare. Pentru efectuarea unor cercetări experimentale pe structuri realizate din asemenea materiale, este necesar să se acorde o atenţie deosebită alegerii tipului de traductoare, a adezivilor, lacurilor de protecţie, precum şi în ceea ce priveşte pregătirea suprafeţelor.

Traductoarele electro-rezistive (TER) folosite pentru măsurarea deformaţiilor specifice din structurile compozite se aleg având în vedere următoarele [1]:

- geometria structurii (piesei, epruvetei) şi calitatea suprafeţelor acesteia, deoarece deformaţiile specifice pot prezenta importante variaţii locale din cauza calităţii suprafeţei sau a neomogenităţilor de material;

- coeficienţii de dilatare şi coeficienţii de conductivitate termică ai materialului, deoarece coeficientul de dilatare la un material anizotrop depinde de direcţia de măsurare cât şi de solicitările mecanice şi termice anterioare;

- durata încercării;- condiţiile de mediu;- mărimea (ordinul de mărime) şi gradientul deformaţiilor specifice ce se vor măsura;- precizia, simplitatea şi costul măsurării.Cel mai frecvent se folosesc traductoare tensometrice având reţeaua confecţionată din

constantan sau karma, materiale ce prezintă o bună sensibilitate, stabilitate şi rezistenţă la oboseală. Karma prezintă o stabilitate mai bună la măsurările de lungă durată. În acelaşi timp, este mai stabil termic decât constantanul după depăşirea temperaturii de +65°C, intervalul de temperatură între care poate fi folosit fiind între -270° şi +290°C. La alegerea materialului suportului nu se impun cerinţe deosebite.

Se recomandă următoarele caracteristici ale traductoarelor rezistive [2], [3]:- baza de măsurare mai mare de 3 mm, dar nu foarte mare;- rezistenţa electrică a traductorului să fie mai mare de 350 W;- nivelul de excitare să fie mai mic decât 3 V.Materialele compozite pot prezenta variaţii locale mari ale deformaţiilor specifice şi dacă

baza de măsurare a traductorului este mare, deformaţia specifică măsurată nu va fi cea reală, traductorul măsurând o valoare medie a deformaţiilor.

Traductoarele rezistive scurte, având baza de măsurare sub 3 mm prezintă mai multe dezavantaje: stabilitate redusă, elongaţie maximă mai mică în raport cu cele de dimensiuni normale şi preţ de cost mare.

O caracteristică importantă a traductoarelor este densitatea de putere, mărime care arată cantitatea de căldură degajată de traductorul rezistiv. În funcţie de mărimea densităţii de putere pot

apărea sau nu tensiuni locale ce uneori modifică proprietăţile compozitului. Factorii de care depinde densitatea de putere sunt: dimensiunile reţelei, rezistenţa traductorului (cât mai mare) şi nivelul de excitare (cât mai mic). Pentru traductoarele rezistive utilizate la materiale compozite, nivelul acceptabil al densităţii de putere este între 0,31 kw/m2 şi 1,2 kw/m2.

Traductoarele rezistive simple (fig. 11.1), orientate pe o singură direcţie, se folosesc mai rar în cazul materialelor compozite, deoarece direcţiile tensiunilor principale pot să nu coincidă cu direcţiile deformaţiilor specifice principale. Aceste traductoare se folosesc mai mult în apropierea suprafeţelor exterioare.

Pentru analiza structurilor din materiale compozite armate cu fibre unidirecţionale sau cu ţesătură, cele mai folosite traductoare sunt rozetele cu două direcţii de măsurare (tip L şi tip V) (fig.

11.2) şi cele cu trei direcţii de măsurare (rectangulare sau delta () (fig.11.3).

Este aproape imposibilă alegerea unor traductoare cu coeficientul de dilatare adaptat materialului structurii, deoarece, la materialele compozite, coeficientul de dilatare termică variază cu direcţia de măsurare, configuraţia laminatului, solicitările mecanice şi termice anterioare, conţinutul de umiditate şi calitatea materialului (eventuale fisuri, delaminări sau goluri din fabricaţie). De aceea, la fel ca la materialele clasice, se recurge la folosirea unui traductor de compensare, lipit pe acelaşi material şi care lucrează în aceleaşi condiţii termice, dar care nu este solicitat mecanic. Se întâmpină greutăţi la lipirea traductorului de compensare, care trebuie să aibă aceeaşi orientare ca şi traductorul activ. Compensarea se mai poate realiza şi prin precalibrarea traductorului rezistiv, operaţie care ţine seama de deformaţiile specifice ce pot să apară din cauza variaţiei temperaturii.

Figura 11.1

Figura 11.2

Figura 11.3

S-a constatat că dacă modulul de elasticitate este mai mic decât 7 GPa, traductorul tensometric poate produce o importantă rigidizare a compozitului investigat, de care trebuie să se ţină seama, altfel erorile pot fi foarte mari (de la -10% până la +30% pentru matrice polimerică) [4].

Principalele erori de măsurare ce pot să apară în timpul experimentelor efectuate cu metoda tensometriei electro-rezistive, erori specifice materialelor compozite, sunt următoarele:

- nealinierea mărcii tensometrice faţă de direcţia de solicitare, atunci când se utilizează traductori simpli;

- efectul sensibilităţii transversale, care pentru materialele compozite, datorită anizotropiei acestora contribuie la o creşterea semnificativă a erorilor (neluarea în considerare a efectului sensibilităţii transversale, poate duce la erori de măsurare de la 10% până la 200%) [4];

- măsuarea deformaţiilor la suprafaţa compozitului duce la erori suplimentare, deoarece în apropierea suprafeţelor exterioare teoria clasică a laminatului nu mai este valabilă şi nici ipotezele ce stau la baza calculelor nu mai sunt acceptabile.

- lipirea imprecisă a rozetelor tensometrice (în cazul în care unghiul dintre axa rozetei si direcţia pe care se doreşte determinarea deformaţiilor specifice este cuprins între 0 şi ±4°, erorile pot ajunge la 65%).

Măsurările tensometrice pe structuri din materiale compozite, urmăresc în principal trei obiective:

- caracterizarea elastică a materialului (epruveta se proiectează astfel încât direcţia deformaţiei specifice principale să coincidă cu direcţia fibrei);

- determinarea tensiunilor din structuri compozite aflate în stare generală de tensiune;- măsurarea deformaţiilor specifice interne, la nivelul laminelor compozitelor, prin

încorporarea traductoarelor rezistive în structura materialului compozit.Uneori, traductoarele rezistive nu pot fi folosite în cazul anumitor materiale compozite

(materiale textile şi materiale pe bază de cauciuc), deoarece traductorul rezistiv rigidizează foarte mult structura iar deformaţiile specifice măsurate sunt cu mult mai mici decât cele reale. Se recomandă in acest caz, utilizarea unor traductoare pe bază de mercur, care îşi schimba rezistenţa electrică în timpul solicitării mecanice a compozitului [4].

Tensometria electro-rezistivă poate fi folosită, cu bune rezultate, în analiza stărilor locale de tensiuni şi deformaţii din laminele exterioare ale materialelor compozite stratificate armate cu fibre.

Comportamentul mecanic al structurilor compozite poate fi estimat, aşa cum s-a putut observa în capitolele anterioare, atât prin calcul, pe modele matematice concepute în concordanţă cu configuraţia structurală a acestora, cât şi experimental, prin numeroase încercări. Printre încercările cele mai concludente folosite pentru caracterizarea mecanică şi de rezistenţă a compozitelor stratificate armate cu fibre, se numără şi încercările la solicitări biaxiale. Aceste încercări se execută deocamdată într-un număr restrâns de laboratoare, întrucât echipamentele folosite pentru realizarea lor, în regim static şi la oboseală, cu solicitări în fază sau defazate pe cele două direcţii, sunt în general complicate şi ca urmare scumpe [5].

În cele ce urmează, se prezintă determinarea cu ajutorul tensometriei electro-rezistive a deformaţiilor apărute în laminele exterioare ale unei epruvete solicitată la tracţiune biaxială.

Pentru realizarea unor asemenea încercări se foloseşte o epruvetă specială, cruciformă, prevăzută cu ligament central, prezentată în figura 11.4 [6], [7], [8].

Figura 11.4In timpul încercărilor (în special de oboseală), în zona centrală de

racordare a ligamentului se produc o serie de deteriorări structurale (ruperi de matrice, fibre şi delaminări), care favorizează amorsarea unor fisuri ce conduc la reducerea capacităţii portante a epruvetei şi la compromiterea încercărilor. De aceea, se impune efectuarea unei analize detaliate şi precise a stării de tensiuni şi deformaţii din jurul ligamentului, cele mai multe asemenea analize fiind realizate cu ajutorul tensometriei electro-rezistive.

Epruveta din figura 11.4, executată dintr-un stratificat armat cu fibre (sticlă E şi răşină NESTRAPOL 450), alcătuit din şase lamine dispuse simetric ([0/90/0])S, a fost solicitată la tracţiune echibiaxială.

Caracteristicile elastice ale laminelor sunt prezentate în tabelul 11.1. Tabelul 11.1

El [MPa] Et [MPa] Glt [MPa] lt tz39000 8600 3800 0,28 0,45

Incărcarea epruvetei s-a realizat în regim static, cu greutăţi, prin intermediul unui dispozitiv special, destinat încercărilor la tracţiune biaxială [2], [6].

Starea de deformaţie de la suprafaţa epruvetei, în zona de racordare a ligamentului, a fost determinată experimental cu şase traductoare electro-rezistive (TER), cu baza de măsurare de 3 mm.

In figura 11.5 se prezintă schema de amplasare a traductoarelor în jurul racordării.

Deformaţiile în punctele de măsurare au fost determinate experimental pentru şapte trepte de încărcare.

Determinările experimentale au fost urmate de analiza numerică a epruvetei cruciforme.

Modelul de calcul a fost obţinut prin discretizarea epruvetei cu elementul finit prezentat în & 8.1, precum şi cu elementul finit LAMINATE din NASTRAN.

Având în vedere simetria geometrică şi de încărcare, discretizarea s-a făcut numai pentru jumătate din structură (fig. 11.6), cu straturi de elemente finite de grosime egală cu cea a unei lamine din componenţa stratificatului, rezultând un model cu 4290 noduri şi 3240 elemente, pentru analiza cu programul propriu [2].

Figura 11.6

In figurile 11.7,...,11.12 se prezintă comparativ, variaţia deformaţiei cu încărcarea, în punctele în care au fost amplasate traductoarele, obţinută prin calcul cu MEF (program propriu) şi experimental, cu tehnica tensometriei electro-rezistive. Pentru comparaţie, rezultatele calculului /max ( - deplasare) şi cele experimentale /max ( - deformaţie specifică) sunt prezentate adimensional [2], [8].

Figura 11.5

Din examinarea curbelor prezentate în figurile de mai sus se constată o bună concordanţă între rezultatele calculului numeric şi determinările experimentale, pentru majoritatea traductoarelor tensometrice utilizate. Erori mai mari, maxim 12%, se obţin pentru traductoarele orientate la 45°, recomandându-se folosirea unor rozete tensometrice în acele poziţii.

Tehnica tensometriei electro-rezistive, poate fi folosită şi pentru analize la nivelul laminelor compozitului, folosind pentru aceasta traductoare electrice rezistive înglobate.

In literatura de specialitate s-au iniţiat numeroase studii şi cercetări [2], [9], [10], [11], [12] axate pe abordarea micromecanică a compozitelor. În aceste studii s-a încercat să se elucideze şi mecanismul de cedare prin delaminare a compozitelor.

Efectuarea unei analize la nivelul laminelor compozitelor stratificate şi armate cu fibre este foarte dificilă dar şi foarte utilă, întrucât în acest mod pot fi obţinute informaţii mai apropiate de realitate, legate de comportarea fiecărei lamine din componenţa stratificatului precum şi a stratificatului în ansamblu.

Un exemplu în acest sens îl reprezintă studiul conlucrării la încovoiere a laminelor care intră în alcătuirea unui compozit stratificat, armat cu fibre unidirecţionale, continue. Această analiză poate fi efectuată experimental cu tehnica tensometriei electro-rezistive şi este prezentată în cele ce urmează.

Determinările experimentale s-au efectuat pe o grindă dreaptă, încastrată la un capăt şi încărcată cu sarcini concentrate la celălalt (fig. 11.13), realizată dintr-un material compozit stratificat, armat cu fibre unidirecţionale (0°), având caracteristicile laminelor indicate în tabelul 11.2 [11]. Au fost folosite traductoare electro-rezistive (TER) cu baza de măsurare 6 mm, constanta k = 2,97, tip LY 13, fixate cu adeziv Z 70.

Tabelul 11.2El [MPa] Et [MPa] Glt [MPa] lt tz18500 3700 200 0,26 0,37

Starea de tensiune de la suprafaţa laminelor şi din lamine s-a determinat pentru stratificate cu patru, şase, opt şi zece lamine lipite, pentru cazul când un pachet de două lamine sunt dezlipite şi când toate laminele din stratificat sunt lipite.

Tensiunile din lamine au fost determinate cu traductoare încorporate la interfaţa dintre două lamine. Grosimea traductorului utilizat a fost aproximativ egală cu cea a adezivului folosit pentru lipirea laminelor.

Structura investigată experimental a fost analizată şi numeric folosind elementul finit prezentat în & 8.1, element care permite estimarea nivelului tensiunilor interlaminare.

În figura 11.14 este prezentat modelul de calcul al unei bare realizată dintr-un stratificat cu şase lamine. Aceasta a fost discretizată cu şase straturi de elemente finite, prin 40 elemente şi 108 noduri pentru o lamină.

Figura 11.14

In tabelul 11.3 sunt prezentate cazurile pentru care au fost efectuate determinări experimentale şi valorile tensiunilor rezultate în urma măsurătorilor [2], [11].

Tabelul 11.3Caz nr.

Nr. lam

.

Modul de alcătuire a stratificatului

Sarcina aplicată P [N]

Tensiunile

determinate [MPa]

Observaţii

1 4 1a=8,04b=0,26

Un pachet de doua lamine

dezlipit

2 4 1a=3,55b=1,59

Toate laminele lipite

Figura 11.13

3 6 2a=6,36b=3,03

Un pachet de doua lamine

dezlipit

4 6 2a=3,16b=2,05

Toate laminele lipite

5 82

a=3,79b=1,97

Un pachet de doua lamine

dezlipit

6 8 2

a=1,94b=1,52

Toate laminele lipite

7 10 2

c=2,18d=1,04a=1,22b=0,96

Un pachet de doua lamine dezlipit

8 10 2

c=1,72d=1,31a=0,87b=0,59

Toate laminele lipite

In tabelul 11.4 sunt date comparativ valorile tensiunilor obţinute prin calcul cu MEF şi experimental cu TER, pentru trei tipuri de stratificate, corespunzătoare stratificatelor cu şase, opt şi zece lamine unidirecţionale. Din examinarea rezultatelor prezentate în tabelele 11.3 şi 11.4 se desprind o serie de aspecte legate atât de comportarea laminelor din stratificat, cât şi de estimarea tensiunilor din lamine prin calcul (cu MEF) şi experimental (cu TER), cu metodologiile menţionate. Astfel, prin lipirea tuturor laminelor stratificatului are loc o reducere substanţială a tensiunilor determinate la suprafaţa stratificatului şi a tensiunilor normale din lamine, faţă de cazul când un pachet de două lamine este dezlipit.

Tabelul 11.4

Numărul laminei

Procedeul folosit

Tensiunea [MPa]

a b c dMEF 3,12 1,91 - -

6 TER 3,16 2,05 - -MEF 1,89 1,39 - -

8 TER 1,94 1,52 - -MEF 0,75 0,49 1,37 1,13

10 TER 0,87 0,59 1,72 1,31

Rezultatele prezentate în tabelul 11.4 mai arată că, valorile tensiunilor determinate experimental sunt mai mari cu maxim 15 - 17% faţă de cele rezultate din calcul, eroarea crescând cu grosimea stratificatului. Printre

sursele acestor diferenţe se numără discontinuităţile create la interfaţa dintre lamine, prin amplasarea TER.

Rezultatele obţinute, conduc la obsevaţia că, tehnica măsurării tensiunilor din lamine cu ajutorul traductoare tensometrice înglobate, pare să fie cea mai adecvată, dar şi greu de aplicat.

11.1.2 Metode fotoelastice

Analiza fotoelastică a structurilor realizate din compozite stratificate armate cu fibre se face mult mai greu decât cea a materialelor izotrope. Pentru asemenea analize experimentale se foloseşte fotoelasticitatea anizotropică, aplicată pe modele sau direct pe structuri realizate din materiale polimerice transparente armate cu fibre de sticlă, atât matricea cât si fibrele având acelaşi indice de refracţie. Compozitele transparente sunt considerate materiale omogene, dar anizotrope din punct de vedere elastic şi optic.

Asemenea modele se folosesc şi pentru a simula anizotropia compozitelor opace armate cu fibre (bor - epoxy, grafit - epoxy etc).

Modelele bidimensionale se folosesc pentru determinarea distribuţiei tensiunilor în jurul fibrelor, în planele secţiunilor transversale şi longitudinale. Aceste modele sunt folosite şi în fotoelasticitatea dinamică, în vederea studierii mecanismelor ruperii şi a propagării fisurii la scară micromecanică.

Modelele tridimensionale sunt analizate folosind tehnica "îngheţării" tensiunilor.Legea optică în cazul stării plane de tensiuni, pentru un material ortotrop cu izotropie

transversală, cum este cazul compozitelor stratificate armate cu fibre, se scrie astfel [1], [13], [14]:

(11.1)

în care N11, N22 şi N12 sunt componentele tensorului birefringenţei, B11 , B12 , B22 şi B66 sunt componente ale tensorului ordinului de bandă.

Notând cu N birefringenţa relativă pe unitatea de grosime, legea optică a tensiunii are următoarea formă [1]:

(11.2)

unde f1, f2, f12 sunt valorile principale ale ordinului de bandă al materialului, raportate la axele principale ale compozitului.

Cunoscând deformaţiile specifice se pot calcula tensiunile, pe baza relaţiilor dintre tensiuni şi deformaţii.

Pentru unele determinări pe structuri din materiale compozite, în practică se foloseşte tehnica fotoelasticităţii prin reflexie. În acest caz, pe suprafaţa structurii care urmează a fi investigată se fixează o folie fotoelastică prin intermediul unui adeziv reflectorizant. Cu ajutorul unui polariscop cu reflexie, suprafaţa respectivă este examinată, determinându-se diferenţa tensiunilor principale în fiecare punct. Folosind un dispozitiv special de compensare se poate determina în fiecare punct de pe suprafaţa structurii valoarea fracţionară N a ordinului de bandă.

Cunoscând constanta fotoelastică de deformaţie optică fşi grosimea h a foliei fotoelastice, diferenţa tensiunilor principale într-un punct de pe suprafaţa structurii se determină cu expresia [3]:

(11.3)

în care E1, E2, 12, 21 sunt constantele elastice ale materialului compozit pe direcţia fibrelor, respectiv pe o direcţie perpendiculară pe aceasta, conţinută în planul laminei.

Cu ajutorul acestei tehnici se pot pune în evidenţă zonele puternic solicitate de la suprafaţa structurii şi în anumite situaţii pot fi localizate anumite deteriorări interne (delaminări, ruperi de fibre).

Utilizarea fotoelasticităţii în cazul structurilor compozite subţiri prezintă dezavantajul că produce o rigidizare suplimentară la suprafaţa acestora. În vederea obţinerii unor rezultate cât mai apropiate de realitate, este necesar ca efectul local de întărire produs de folie şi adeziv să fie corectat. Acest lucru se face cu ajutorul unor diagrame de corecţie, în funcţie de grosimea foliei şi a stratului de adeziv.

Când apar gradienţi mari de tensiune între fibre şi matrice sau când în modelele investigate apar stări tridimensionale de tensiuni, fotoelasticitatea tradiţională nu mai dă rezultate bune, datorită micşorării sensibilităţii (fotoelasticitatea tradiţională consideră că unda luminoasă ce traversează modelul rămâne rectilinie, dar în realitate ea se curbează). Se poate folosi în asemenea situaţii fotoelasticitatea isodină plană, în cazul bidimensional şi fotoelasticitatea gradient, în cazul tridimensional [15], [16].

Metodele fotoelastice sunt folosite din ce în ce mai puţin datorită dificultăţilor întâmpinate la modelare, mai ales în cazul compozitelor opace.

Fotoelasticitatea reprezintă totuşi, una dintre cele mai potrivite metode experimentale pentru investigarea compozitelor de tip sandwich [17].

11.1.3 Metode moiré

Metodele moiré oferă posibilitatea determinării şi distribuţiei deformaţiilor specifice ale punctelor aflate pe suprafaţa structurilor realizate din materiale compozite stratificate armate cu fibre, folosind pentru aceasta relaţii geometrice, fără utilizarea unor fenomene fizice intermediare, ca în cazul multor metode clasice de analiză experimentală.

Prin suprapunerea a două reţele de linii paralele se obţine o serie de franje, numite moiré. a) Moiré geometricUn moiré geometric constă din două reţele: reţeaua obiect, care se aplică epruvetei sau

structurii ce se analizează şi reţeaua de referinţă, având aceeaşi densitate a liniilor ca şi prima [1], [2], [14].

Reţelele sunt formate din linii paralele, echidistante, de grosime egală cu distanţa dintre ele, trasate pe o direcţie sau pe două direcţii perpendiculare, având densitatea maximă de 400 linii/cm.

Măsurarea deplasărilor în plan se face astfel:- pe suprafaţa plană şi netedă a compozitului, se lipeşte cu emulsia în exterior, un film pe

care există reţeaua obiect (reţeaua poate fi fotogravată şi direct pe suprafaţa piesei);- reţeaua de referinţă aflată tot pe un film se suprapune cu emulsia de pe reţeaua obiect,

astfel încât cele două reţele să fie paralele fără a produce franje de interferenţă;- se încarcă structura şi se numerotează franjele obţinute;- se calculează deplasarea într-un punct al structurii, prin efectuarea produsului dintre pasul

reţelei şi ordinul franjei în acel punct (deplasările pe direcţiile orizontală şi verticală se calculează independent);

Deformaţiile specifice se obţin prin derivarea grafică a deplasărilor.Metoda nu are o sensibilitate prea mare în cazul materialelor compozite.b) Moiré prin proiecţie

Această metodă utilizează o singură reţea şi permite determinarea unor deplasări normale la suprafaţa structurii, procedându-se astfel [1]:

- suprafaţa corpului care se analizează, este acoperită cu vopsea mată, astfel încât proiecţia reţelei (umbra ei) să aibă contrast maxim;

- se iluminează reţeaua de la distanţă, astfel încât umbra fiecărei linii să fie cât mai îngustă;- se calculează deplasările punctelor de la suprafaţa structurii pe o direcţie normală la

suprafaţă, ţinând seamă de faptul că dimensiunile franjelor de interferenţă sunt proporţionale cu distanţa de la reţea la suprafaţa corpului.

c) Moiré prin reflexiePermite determinarea rotirilor şi a curburilor unei suprafeţe cu ajutorul unei singure reţele,

procedând ca mai jos [1]:- se acoperă suprafaţa compozitului cu un lac reflectorizant;- se plasează reţeaua în faţa structurii şi se fotografiază imaginea reflectată, obţinând astfel

imaginea de referinţă;- după încărcarea structurii, fotografiind din nou imaginea reflectată şi suprapunând-o peste

prima, se obţin franjele de interferenţă;- dimensiunile franjelor sunt proporţionale cu rotirea suprafeţei compozitului în plane

perpendiculare pe liniile reţelei;- se roteşte reţeaua cu 90° şi se repetă procedeul, obţinându-se un nou set de rotiri, care

împreună cu primele permit determinarea tuturor curburilor.d) Interferometria moiréEste utilizată atât în studiul micromecanic, cât şi în cel macromecanic al materialelor

compozite, metoda permiţând determinarea deformaţiilor specifice normale şi tangenţiale în zone cu gradient ridicat al tensiunilor [2], [3].

Interferometria moiré obţine franjele prin interferenţa optică a unor fascicule laser. Un fascicol paralel de lumină laser produce prin interferenţă o succesiune de linii luminoase (interferenţă constructivă) şi întunecate (interferenţă distructivă), formând reţeaua de referinţă virtuală.

Procedeul se desfăşoară astfel:- pe epruveta sau obiectul de studiat se trasează reţeaua obiect cu linii perpendiculare pe

două direcţii;- se reglează înainte de încărcare întregul sistem optic, astfel încât câmpul franjelor să fie

nul;- după încărcare, franjele, prin ordinul lor, dau deplasarea în plan, într-un anumit punct.Metoda are o bună sensibilitate şi un foarte bun contrast al franjelor. Prin utilizarea unui

sistem video de înregistrare a imaginilor, printr-o analiză automată şi prin stocarea datelor în memoria unui calculator, analiza datelor experimentale este adusă la performanţe ridicate.

Metoda conduce la bune rezultate în studiul materialelor compozite, dar echiparea corespunzătoare a unui laborator este costisitoare.

Un domeniu important în care se folosesc metodele moiré este cel al determinării caracteristicilor elastice ale unui material compozit.

Pentru determinarea modulului de forfecare Glt al unui compozit unidirecţional, grafit-epoxy sunt necesare teste de forfecare[18].

Testele de forfecare pot fi realizate prin:a) solicitarea epruvetelor sub un unghi de 10° în afara axelor;b) încercarea epruvetelor sub ±45°;c) testarea cu ajutorul epruvetei Iosipescu.Pentru măsurarea deformaţiilor punctelor situate pe suprafaţa epruvetelor se folosesc două

metode experimentale: tensometria electro-rezistivă şi metodele moiré. De obicei, sunt lipite traductoare tensometrice pe una din feţe şi reţele moiré pe faţa opusă celei cu mărci tensometrice.

Se foloseşte frecvent moiré-ul interferometric.

Pentru obţinerea cu ajutorul metodei moiré a deplasărilor u şi v ale unui punct oarecare de pe suprafaţa epruvetei solicitate, se folosesc reţele având linii perpendiculare pe două direcţii (1200 linii/mm), trasate pe o lungime de aproximativ 30 mm.

Sensibilitatea f a metodei este în funcţie de frecvenţa reţelei, de lungimea de undă l a luminii şi de aranjamentul optic, potrivit relaţiei [18]:

(11.4)

unde a este unghiul dintre fasciculul incident şi fasciculul de ordinul întâi difractat.Interferenţa a două fascicule de lumină coerente, difractate la suprafaţa epruvetei, produce

franje moiré, corespunzătoare celor două deplasări u şi v.Cu ajutorul numerelor de ordine Nx şi Ny ale franjelor apărute se pot determina deplasările

unui punct oarecare de pe suprafaţa epruvetei [18]:

şi (11.5)

Deformaţiile specifice se calculează cu relaţiile [18]:

(11.6)

În figura 11.15, a, b, c se poate vedea aşezarea pe epruvete a traductoarelor tensometrice şi a reţelelor moiré, pentru cele trei tipuri de teste de forfecare.

Epruveta Iosipescu a fost realizată în două variante:- cu fibre orientate la 0° faţă de direcţia de solicitare;- cu fibre orientate la 90° faţă de direcţia de solicitare.Pentru culegerea şi prelucrarea rezultatelor furnizate de traductoarele tensometrice, se

folosesc centrale de achiziţii de date.După prelucrarea rezultatelor se trasează dependenţele t - g pentru toate testele efectuate

(fig. 11.16), cu ajutorul acestora determinându-se apoi, modulul de forfecare Glt.

11.1.4 Metode termografice

Figura 11.15

Figura 11.16

Termografia este o metodă experimentală folosită pentru localizarea şi studierea deteriorărilor ce pot să apară în interiorul unui material compozit. Ea constă în determinarea liniilor izoterme de pe suprafaţa materialului.

Metoda se bazează pe principiul vizualizării emisiei de căldură, fiind utilizate două procedee: activ şi pasiv [1], [2], [3], [14].

Procedeul activ constă în degajarea căldurii din interiorul corpului în urma unei încărcări ciclice, cantitatea de căldură degajată depinzând de mărimea încărcării, de valorile modulelor de elasticitate ale materialului compozit, dar şi de frecvenţa de solicitare.

Concentrarea tensiunilor în jurul deteriorărilor produce o intensificare a căldurii emise de acea zonă. Astfel, ruperea fibrelor, una dintre principalele deteriorări ale compozitelor armate cu fibre, generează local căldură în timpul testării active.

În procedeul pasiv, corpul este încălzit de la o sursă exterioară şi este vizualizată conducţia căldurii, aceasta fiind influenţată de discontinuităţile geometrice şi de cele de material. Delaminările duc la o conducţie neuniformă a căldurii în timpul testării pasive [19], [20].

Pentru procesarea termică a imaginii se folosesc două metode:- metoda chimică; - metoda electronică.Metoda chimică utilizează cristale lichide care sunt foarte sensibile cu

temperatura şi au proprietatea de dispersa radiaţia vizibilă.Metoda electronică foloseşte un detector în infraroşu.Principiul de măsurare se bazează pe efectul termoplastic, care permite

stabilirea unei relaţii între tensiunile principale şi temperatură. Distribuţia de temperatură rezultată este detectată prin monitorizarea radiaţiei infraroşii emise de pe suprafaţa epruvetei, cu ajutorul unei camere video-termografice, în timp real.

Regiunile care au delaminări apropiate de suprafaţă sunt uşor de detectat prin intermediul unor gradienţi de temperatură prestabiliţi, faţă de care se raportează emisia de căldură din acele zone.

Metoda a fost aplicată la compozite cu matrice polimerică, dar şi la cele cu matrice metalică, detectând foarte bine delaminările [21].

Energia termică emisă de un material compozit depinde de proprietăţile suprafeţei sale, de temperatura sa şi de emisivitatea sa termică. Emisivitatea depinde la rândul ei de mai mulţi factori: temperatura, starea fizică, finisarea suprafeţei, straturile moleculare de suprafaţă şi se determină experimental, pentru fiecare material compozit.

La materialele compozite pot apărea frecvent variaţii ale emisivităţii suprafeţei acestora, datorită anizotropiei lor, cât şi fenomene de reflexie ce perturbă analiza termografică a structurii realizate din asemenea materiale. De aceea, la aceste materiale se procedează la vopsirea suprafeţei de studiat cu un strat uniform de culoare neagră.

Detecţia radiaţiei infraroşii prin video-termografie se realizează cu ajutorul detectoarelor în infraroşu.

Termografia în timp real cere ca întregul câmp de studiat să fie scanat foarte rapid, astfel încât temperatura fiecărui punct să poată fi măsurată şi afişată. O scanare foarte rapidă se poate realiza cu ajutorul unui sistem de oglinzi care se învârtesc cu viteză foarte mare. Radiaţia infraroşie emisă de materialul compozit este reflectată de oglinzi către materialul semiconductor al detectorului în infraroşu şi odată cu rotirea oglinzilor apare un desen complet al suprafeţei analizate.

Răspunsul detectorului termografic la radiaţia infraroşie este afişat pe monitoare la intervale foarte scurte.

Metodele termografice sunt corelate cel mai des cu tensometria rezistivă.În ultimii ani se foloseşte din ce în ce mai mult vibrotermografia. Aceasta

este o metodă ce combină excitaţiile mecanice, vibratorii, cu vizualizarea termică în timp real şi este folosită tot pentru a detecta defectele din materiale compozite.

Metodele termografice prezintă avantajul unor măsurări pe structuri reale, fără contact direct cu structura şi permit obţinerea unor informaţii referitoare la o zonă largă din structură.

Metodele termografice au următoarele avantaje:- măsurarea se face pe structura reală, fără contact direct, obţinându-se nivelul tensiunilor

într-o zonă largă din structură;- sensibilitate ridicată;- măsurările se pot efectua la temperaturi înalte şi în regim dinamic.Ca dezavantaje, se pot menţiona:- este necesară o calibrare a materialului;- se obţine numai suma tensiunilor principale;- sistemul este relativ scump.Metoda este corelată cel mai des cu tensometria rezistivă.O altă metodă ce analizează emisia de căldură produsă de o excitaţie vibratorie este

vibrotermografia [22]. Vibraţiile sunt de amplitudine joasă şi frecvenţă înaltă, până la 18 KHz.Vibrotermografia poate furniza informaţii asupra începutului deteriorării materialului până

la distrugerea sa, precum şi asupra regiunilor cu concentratori de tensiuni (găuri, crestături etc). Dezvoltarea gradienţilor de temperatură şi gradul de încălzire depind de gradul de

delaminare, de extinderea deteriorărilor şi de frecvenţa cu care se aplică energia mecanică de vibraţie.

11.1.5 Metode radiografice

Radiografia cu raze X permite evidenţierea deteriorărilor care pot să apară în structura unui material compozit precum şi a mai multor caracteristici ale acestora [2], [3].

În studiul comportării materialelor compozite, de multe ori sunt necesare informaţii detaliate privind structura, la nivel microscopic, care să permită observarea fisurilor din matrice, a delaminărilor ori desprinderea fibrelor de matrice. Astfel de informaţii pot fi obţinute cu multă precizie cu ajutorul radiografiei cu raze X.

a) Radiografia cu raze X la tensiune scăzutăEste cea mai veche metodă pentru studiul nedistructiv al materialelor compozite. Cu ajutorul

radiografiei cu raze X la tensiuni scăzute pot fi evidenţiate:- zone unde conţinutul de matrice este mai dens;- orientarea fibrelor şi distribuţia generală a componentelor materialului

compozit;- fisurile de dimensiuni mai mari din interiorul materialului compozit.Mai greu se observă delaminările, iar studierea unei singure fibre este

sub limita de rezoluţie.Defectele şi deteriorările apărute în materialele compozite sunt de

dimensiuni foarte mici (1-5 mm) iar pentru vizualizarea lor este necesar un contrast foarte puternic.

S-a constatat apariţia unor contraste cu 15% mai mari când s-a utilizat o tensiune de 20 KV, faţă de 40 KV.

Pentru compozite subţiri (1-3 mm), tensiunile cele mai folosite sunt cuprinse între 15-25 KV.

Materialul compozit are în componenţa sa elemente cu număr atomic mic şi densitate mică, fiind astfel caracterizat printr-o absorbţie scăzută de raze X. Absorbţia scăzută de raze impune un timp de expunere mare. De aceea, trebuie realizat un compromis între contrast, care se doreşte maxim şi timpul de expunere, ce ar trebui să fie cât mai mic.

Conţinutul de fibră poate fi uşor determinat analizând contrastul filmului, mai ales în cazul fibrelor de sticlă, datorită coeficientului înalt de absorbţie a radiaţiilor pentru sticlă (de aproximativ 20 de ori mai mare decât al majorităţii răşinilor).

Practic este imposibil să se măsoare cu ajutorul radiografiei conţinutul de fibre de carbon al unui compozit, datorită conţinutului mare în carbon atât al fibrelor cât şi al răşinii.

b) Radiografia penetrantă cu raze XCu ajutorul acestei metode se pot studia deteriorările care apar la suprafaţa compozitului:

delaminări, fisurări longitudinale şi transversale ale matricei [13].Când se urmăreşte vizualizarea fisurilor mici ale compozitului sau a delaminărilor este

necesară utilizarea unui penetrant ce permite chiar şi evidenţierea porilor ori a desprinderilor fibrei de matrice. În acelaşi timp, el creează un contrast puternic între zonele cu defecte (deteriorări) şi cele fără defecte prin absorbirea diferită a razelor X.

Penetrantul trebuie să fie utilizat cu multă precauţie datorită toxicităţii sale. Acesta nu trebuie să producă fisurări sau desprinderi ale fibrelor de matrice, trebuie să umple complet porii şi fisurile existente şi să fie uşor de îndepărtat după testare.

În practică se folosesc două metode de penetrare cu raze X a epruvetei [3]:

- penetrarea la margine;- penetrarea prin submersie.Pentru penetrarea la margine epruveta este montată pe o maşină de

testare, încărcată cu o sarcină egală cu 5% din sarcina de rupere, iar penetrantul este aplicat manual, picătură cu picătură, timp de 30 minute, folosindu-se o seringă. Metoda prezintă câteva dezavantaje legate de timpul de penetrare şi de folosirea ei pentru determinări “in situ”.

În cazul penetrării submersive, epruveta este introdusă în penetrant, în timpul solicitării sau chiar în absenţa acesteia.

c) Radiografia “in situ” cu penetrare submersivă în timpul încărcării statice şi la oboseală

Pentru urmărirea evoluţiei în timp a fisurii, radiografia “in situ” se dovedeşte a fi cea mai potrivită metodă [2], [3].

Echipamentul de raze X este montat pe o maşină de testare la oboseală, penetrarea realizându-se cu ajutorul unui tub de cauciuc flexibil, ce poate fi ridicat sau coborât pe epruvetă.

Penetrantul trebuie să acopere întregul defect şi să nu provoace o mărire a fisurii, timpul de pătrundere fiind dependent de mărimea defectului (deteriorării).

În practică se utilizează mai des penetraţia incrementală (se penetrează partea de radiografiat un anumit timp, se radiografiază, apoi procesul se repetă, radiografiile de la fiecare pas comparându-se între ele pentru a se observa propagarea fisurii).

Pentru un compozit carbon-epoxy penetrantul cel mai bun este di-iod metan (CH2I2). Alţi penetranţi mai des folosiţi sunt: iodura de zinc, alcoolul isotropilic, Kodak Photoflow.

Radiografia penetrantă cu raze X se dovedeşte a fi necesară atunci când detaliile ce se urmăresc a fi obţinute sunt foarte fine.

În ultimii ani se folosesc frecvent şi alte procedee radiografice: micro-radiografia, stereo-radiografia [23] sau radiografia cu fascicul de neutroni [24].

Stereo-radiografia constă în efectuarea a două radiografii cu raze X pentru aceeaşi epruvetă, unghiul dintre cele radiografii fiind de 15°. Cele două radiografii sunt apoi vizualizate prin metode stereo-optice, fiecare radiografie fiind vizualizată de către fiecare ochi în parte.

Radiografia cu fascicule de neutroni este eficientă în detectarea defectelor structurale (incluziuni, goluri etc.) ale materialelor compozite.

Radiografia cu raze X nu este capabilă să detecteze ruperea fibrelor în epruvetele armate cu fibre de grafit sau cu fibre aramide. A fost în schimb utilizată cu succes în cazul fibrelor de bor.

11.1.6 Metode ultrasonice

Metodele ultrasonice sunt folosite cel mai frecvent în ultimii 20 de ani pentru localizarea şi identificarea naturii defectelor şi deteriorărilor din compozite [2]. Această metodă se bazează pe atenuarea sunetului la frecvenţe înalte, la trecerea prin materialul structurii investigate. Principalele surse de atenuare a sunetului sunt:

- efectele vâscoelastice din matrice;- dispersiile geometrice date de eterogenitatea materialului;- delaminările şi fisurile interne care pot fi puse în evidenţă printr-o alegere corectă a

lungimii de undă a sunetului.Receptarea emisiei ultrasonice (de la 1 la 15 MHz) se face cu traductori piezoelectrici, care

sunt cufundaţi împreună cu structura de studiat în apă, ca mediu de cuplare uniformă la transmiterea ultrasunetelor. Se folosesc în general două traductoare: unul de emisie a semnalului, de o parte a corpului studiat şi altul de recepţie, de cealaltă parte. Când se foloseşte un singur traductor, acesta emite semnalul şi tot el îl recepţionează pe cel reflectat de pe suprafaţa cea mai depărtată a corpului.

Înregistrarea semnalelor amplitudine – timp se face într-un punct, pe perimetrul secţiunii transversale sau pe suprafaţa corpului. O variantă analoagă constă în înregistrarea variaţiei tensiunii la întâlnirea defectului şi se compararea acesteia cu variaţia obţinută pentru defecte cunoscute ale unor epruvete (structuri). Metoda permite determinarea microporozităţii, a rigidităţii materialului, a procentului volumic de fibre din matrice şi a rezistenţei la rupere a compozitelor [25].

Rigiditatea poate fi determinată ultrasonic prin măsurarea vitezei de propagare a undei ultrasonice, cunoscând densitatea materialului.

Măsurările cu ultrasunete au fost folosite pentru a determina toate cele 9 constante elastice ale stratificatelor carbon - epoxy.

Evaluarea nedistructivă convenţională a materialelor compozite prin tehnici ultrasonice cum ar fi "scanarea de tip C", utilizează de obicei unde care se propagă normal către suprafaţa compozitului, aria supusă cercetării în fiecare moment fiind limitată la regiunea acoperită de detector. Acest tip de testare "punctată" necesită foarte mult timp în cazul cecetării structurilor mari, până când detectorul va scana întreaga arie de testat. În practică, compozitele sunt adesea destul de tolerante la defecte mici şi de aceea este necesară găsirea unor defecte şi deteriorări relativ mari (delaminări pe 10 - 20 mm). Dacă este găsit un defect sau o deteriorare, metodele convenţionale pot să fie utilizate apoi pentru caracterizarea lui în detaliu.

Metoda impune necesitatea unui sistem de scanare bine pus la punct, pentru investigarea structurilor aflate în exploatare, de exemplu în aviaţie, domeniu în care sunt necesare scanări chiar şi atunci când avioanele sunt pe pistă ori în zbor [26].

Ultrasunetele bazate pe laser elimină necesitatea de a menţine detectorul perpendicular pe structură, deoarece direcţia de propagare a undelor ultrasonice nu este afectată semnificativ de orientarea laserului utilizat pentru excitare.

Tehnica cu ultrasunete laser nu elimină nevoia de scanare în două dimensiuni, peste întreaga suprafaţă a structurii investigate. Scanarea se poate realiza mai uşor cu ajutorul unor oglinzi care să schimbe direcţia [27] undelor laser, aşa cum se observă în figura 11.17.

O tehnică ieftină şi comodă este utilizarea undelor ultrasonice tip Lamb.Această metodă costă în scanarea suprafeţelor de investigat cu detectoarele orientate într-o

singură direcţie. În figura 11.18 se poate observa modul de dispunere a celor două traductoare în cazul utilizării undelor Lamb.

11.1.7 Metoda emisiei acustice

Una dintre metodele nedistructive cele mai utilizate pentru analiza structurilor realizate din compozite stratificate armate cu fibre este metoda emisiei acustice [2], [3].

Metoda se bazează pe eliberarea bruscă, sub formă de impulsuri acustice a unei părţi din energia de deformaţie acumulată de un corp în urma solicitării mecanice.

În cazul materialelor compozite există o varietate largă de mecanisme recunoscute responsabile pentru generarea emisiei acustice, pornind de la apariţia dislocaţiilor, până la propagarea ruperii, incluzând delaminări, microfisurări ale matricei, ruperi de fibre şi desprinderi ale fibrelor de matrice. Semnalele acustice pot fi detectate cu traductoare piezoelectrice aflate în

Figura 11.17Figura 11.18

contact printr-un mediu de cuplare cu suprafaţa materialului care se investighează, semnalele fiind înregistrate şi analizate electronic.

Faţă de procedeele ultrasonice, unde un singur traductor scanează mecanic suprafaţa structurii, o dispunere corectă a traductoarelor utilizate în emisia acustică, poate duce la o analiză rapidă şi precisă a structurii studiate, cu posibilitatea prelucrării datelor pe calculator.

O instalaţie pentru studiul structurilor din materiale compozite cu metoda emisiei acustice cuprinde: traductoare (senzori), un echipament de bază pentru analiza semnalului (amplificator, filtru, aparatură pentru achiziţia şi procesarea datelor) şi câteva dispozitive pentru încărcarea structurii [3].

Metoda emisiei acustice este aplicată în acelaşi mod atât pentru materiale compozite cu matrice polimerică (vase sub presiune, structuri de automobile şi aeronautice etc.) cât şi pentru cele cu matrice metalică.

Spre deosebire de procedeele ultrasonice sau de cele radiografice, unde defectele se pot localiza foarte precis, în cazul emisiei acustice acestea nu pot fi depistate cu precizie din punct de vedere a poziţiei lor.

Întrucât, prin structura lor, materialele compozite atenuează semnalul acustic mai mult decât materialele izotrope, numărul traductoarelor necesare este mai mare în cazul analizei compozitelor.

Ca şi în cazul materialelor izotrope, trebuie să se ţină seama în calcul de toate trecerile peste nivelele prestabilite ale semnalelor acustice, numărul semnalelor numărate depinzând de mai mulţi factori: rezistenţa sursei de semnal acustic, sensibilitatea traductorului, cuplarea eficientă a traductorului, atenuarea materialului compozit, nivelul prestabilit al intensităţii semnalului acustic [28], [29].

Traductoarele folosite pentru analiza cu tehnica emisiei acustice sunt similare celor utilizate în investigarea cu unde ultrasonice, în acest caz fiind necesară o sensibilitate mai mare a acestora, în special pentru frecvenţe cuprinse între 100-500 Hz, unde pentru structuri din materiale compozite se obţine un semnal de emisie foarte bun.

Pentru determinări cu această tehnică experimentală, pe structuri din materiale izotrope, în vederea obţinerii unor semnale de emisie suficient de puternice, se recomandă ca sursele de emisie să fie amplasate în interiorul unor spaţii sub formă de hiperboloizi, astfel încât localizarea defectelor să se facă foarte precis. Când determinările urmează să fie făcute pe materiale anizotrope, cum sunt materialele compozite, deoarece viteza de propagare a undelor variază cu direcţia, sursele nu mai pot fi amplasate în spaţii bine determinate geometric. În acest caz, în funcţie de structura compozitului şi de tipul determinării care urmează să fie efectuată, amplasarea surselor de emisie acustică se face pe baza unor metode aproximative.

Emisia acustică poate fi folosită până la punctul la care să se poată distinge diferite moduri de rupere ale materialului. Acestea pot fi analizate prin gruparea diferitelor semnale primite conform nivelelor de energie. În urma grupării pe trei nivele de energie sunt evidenţiate următoarele trei deteriorări: ruperea fibrelor, a matricei şi delaminarea.

Tehnica emisiei acustice cunoaşte în literatura de specialitate o utilizare tot mai mare în investigaţiile experimentale care se întreprind pe structuri din materiale compozite. În ultimii ani această metodă este folosită în vederea localizării cu precizie a unor tipuri de deteriorări (dislocaţii, delaminări, desprinderi, ruperi de fibre etc.) şi pentru evidenţierea mecanismelor de producere a acestora.

În comparaţie cu alte tehnici experimentale nedistructive, tehnica emisiei acustice oferă posibilitatea rapidă a nominalizării unei varietăţi mari de

deteriorări care pot să apară în structurile din materiale compozite, în urma solicitărilor la care sunt supuse.

11.2 Metode experimentale specifice materialelor compozite

Alături de metodele experimentale clasice, au apărut şi s-au dezvoltat o serie de noi metode experimentale, destinate materialelor şi structurilor din materiale compozite stratificate şi armate cu fibre.

Holografia şi interferometria granulară sunt folosite la identificarea defectelor de suprafaţă.Metodele electromagnetice ce folosesc microundele au fost utilizate la analiza compozitelor

sticlă-epoxy.Tensiunile locale principale dintr-un material compozit transparent pot fi determinate cu o

tehnică optică nouă, pe bază de imagini laser [30]. Procedeul constă în utilizarea simultană a metodei fotoelastice şi a metodei holografice.

Când un fascicul laser polarizat circular este incident pe un material fotoelastic transparent, după trecerea prin materialul respectiv, devine modulat, aceasta datorită indicilor de refracţie ai materialului n1 şi n2 de pe direcţiile tensiunilor principale.

Această modulare poate fi exprimată astfel:

n1 – n0 = A 1 + B 2 ;n2 – n0 = B 1 + A 2 , (11.8)

unde n0 este indicele de refracţie iniţial al materialului, A şi B constante optice de tensiune.Diferenţa de drum optic este dată de relaţia:

= (2p/l) C (1 - 2) t (11.9)

unde C este constantă fotoelastică, t este grosimea materialului iar l lungimea de undă a fasciculului incident.

Când fasciculul incident cade asupra probei sub un unghi q faţă de axa Oz, diferenţa de drum optic devine [30]:

(5.8)

Din relaţiile (11.8) şi (11.9) se vor determina tensiunile principale 1 şi 2.Schema globală a instalaţiei este arătată în figura 11.19, unde pot fi observate oglinzile şi

lentilele aflate în componenţa acesteia.Modelul supus determinării experimentale este prezentat în figura 11.20.

În figura 11.21 se prezintă schema de încărcare şi curbele izocline ce permit obţinerea

direcţiilor tensiunilor principale.

O metodă modernă pentru determinarea defectelor şi deteriorărilor interne din materiale compozite este şi încorporarea în matricea acestora a unor fibre optice ce permit un control permanent asupra comportării interne a părţilor critice ale compozitului [31], [32], [33].

Fibrele optice încorporate pot fi folosite pentru detectarea deteriorărilor ce apar la impact şi pentru studiul vibraţiilor. Încorporarea senzorilor trebuie făcută însă cu mare grijă pentru asigurarea unei bune compatibilităţi între senzori şi materialul compozit.

Spectroscopia Raman este o altă nouă metodă experimentală pentru investigarea experimentală a tensiunilor [34], [35].

Undele termice pot fi de asemenea folosite în evaluarea nedistructivă a compozitelor [36].Pentru acelaşi tip de investigaţii se poate folosi şi tomodensimetria [37].

În ceea ce priveşte determinările experimentale, se poate spune că majoritatea metodelor experimentale clasice se aplică şi pentru analiza stării de tensiuni şi deformaţii din structuri compozite, ţinându-se seama de particularităţile materialelor compozite.

Figura 11.20Figura 11.19 Figura 11.21

Dintre metodele experimentale clasice, tensometria electrică rezistivă şi metodele moiré conduc la rezultate foarte bune.

Pentru investigarea experimentală a materialelor şi structurilor din materialele compozite există tehnici şi metode specifice acestora.

Foarte des în ultimii ani se folosesc metode nedistructive pentru analiza structurilor compozite.

Pentru aproape toate tipurile de solicitări simple există, normalizate internaţional, teste speciale de încercare (ASTM).

În ultimii ani cercetările experimentale sunt orientate către studiul comportării la oboseală al materialelor compozite dar şi către solicitarea biaxială a acestora.

Punerea la punct a multora dintre tehnicile experimentale specifice compozitelor se află încă la început, fiind destul de dificil de apreciat posibilităţile de utilizare a acestora în viitor.

Bibliografie

1. Alămoreanu, E., Negruţ, C., Gheorghiu, H., Hadăr, A., Studiul caracteristicilor şi metodelor de calcul adecvate materialelor compozite , Contract M. C. T., 1991-19922. Hadăr, A., Probleme locale la materiale compozite, Universiatatea “POLITEHNICA” Bucureşti, 19973. Iliescu, N., Hadăr, A., Constantin, N., Jiga, G., Program interdisciplinar de fundamentare a unor tehnici avansate pentru caracterizarea elastică şi de rezistenţă a unor materiale noi în sisteme integrate de măsurare şi interpretare asistate de calculator, Contract M. C. T. 836 - A 17, 1995 - 19974. Pendleton, R. L., Tutle, M. E., Manual of Experimental Methods for Mechanical Testing of Composites, SEM, 19895. Parsons, M. W., Pascoe, K. J., Development of a Biaxial Fatigue Testing Rig, Journal of Strain Analysis, Vol. 10, nr. 1, 19756. Constantin, N., Jiga, G., Horhoianu, N., Hadăr, A., Cadru experimental pentru încercarea epruvetelor în regim de solicitare biaxială, Revista Construcţia de maşini, Bucureşti, nr. 8-9, august - septembrie 19957. Constantin, N., Hadăr, A., Jiga, G., Săndulescu, N., Behaviour of Glass Reinforced Composites in Uniaxial and Biaxial Tensile Tests, International Conference of Composites Engineering, New Orleans, August 19968. Iliescu, N., Hadăr, A., Constantin, N., Asupra unor stări locale de tensiune şi deformaţie în compozite stratificate armate solicitate la întindere echibiaxială, a XV- a Sesiune de comunicări ştiinţifice a cadrelor didactice, Academia Navală “Mircea cel Bătrân”, Constanţa, noiembrie 1997 9. Suemasu, H., Effect of Multiple Delaminations on Compressive Buckling Behaviour of Composite Panels, Journal of Composite Materials, Vol. 27, nr. 12, 1993 10. Hadăr, A., Constantin, N., Săndulescu, N., Study of Interlaminar Stresses and Delaminations Effect on Carrying Load Capacity of Laminates, International Conference of Composites Engineering, New Orleans, August 199611. Iliescu, N., Hadăr, A., Constantin, N., Contribuţii privind studiul tensiunilor interlaminare în compozite stratificate armate cu fibre, a XXVII - a Sesiune de comunicări ştiinţifice cu participare internaţională, Academia Tehnică Militară, Bucureşti, noiembrie 1997 12. Constantin, N., Hadăr, A., Jiga, G., Iliescu, N., Studiul tensiunilor interlaminare şi al efectului delaminărilor asupra capacităţii portante a materialelor compozite stratificate, Contract M.C.T. 836 - A 104, 1996-199713. Daniel, I. M., Composite Materials, Chapter 19 in Handbook on Experimental Mechanics, SEM Inc., Ed. Albert Kobayashi, Pretice - Hall, 198714. Alămoreanu, E., Chiriţă, R., Bare şi plăci din materiale compozite, Editura Tehnică, Bucureşti, 1998

15. Pindera, J. T., Krasnowski, B. R., Pindera, M. J., Theory of Elastic and Photoelastic Isodynes. Sample of Application in Composite Structures, Experimental Mechanics, 198516. Pindera, J. T., Pindera, M. J., On the Methodologies of Stress Analysis of Composite Structure - Part 2: New Experimental Approches, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 198617. Kemmochi, K., Uemmura, M., Measurement of Stress Distribution in Sandwich Beams Under Four-point Bending, Experimental Mechanics, 198018. Ho, H., Tsai, M. Y., Morton, J., A Comparison of Three Popular Test Methods for Determining the Shear Modulus of Composite Materials, Composites Engineering, New Orleans, Vol. 3, 199319. Broutman, L. J., Kobayashi, T., Carillo, D., Determination of Fracture Sites in Composite Materials, J. Compos. Mater., 196920. Charles, J. A., Liquid Cristals for Flow Detection in Composite, ASTM STP 696, 1979.21. Hobbs, C. P., Temple, A., The Inspection of Aerospace Structures Using Transient Thermography, Brit J NDT 35, 199322. Reifsneider, K. L., Henneke, E. G., Stinchcomb, W. W., The Mechanics of Vibrothermography, in Mechanics of Non-Destructive Testing, New-York, 198023. Rummel, W. D., Tedrow, T., Brinkerhoff, H. D., Enhaced X-Ray Stereoscopic NDE of Composite Materials, AFWAL - TR -80 - 3053, Airforce Wright Aeronautical Laboratories, 198024. Dance, W. E., Middlebrook, J. B., Neutron Radiographic Non-Destructive Inspection for Bonded Composite Structures, in Nondestructive Evaluation and Flaw Critically for Composite Materials, STP 696, Ed. American Society for Testing Materials25. Vary, A., Bowles, K. J., On Utrasonic - Acoustic Tehnique for Non-Destructive Evaluation of Fiber Composite Strenght, Reinf. Plast./Compos. Inst.,Sec 24-A, 197826. Iddings, F. A., Large Area Aircraft Scanner, Rewiew of Progress in Quantitative NDE, Vol. 11, Ed. by D. O. Thompson and D. E. Chimenti , Plenum Press, New York, 199227. Cawley, P., The Rapid Non-Destructive Inspection of Large Composite Structures, Composites, Vol. 25, Number 5, 199428. Rotem, A., The Discrimination of Micro-Fracture Mode of Fibrous Composite Material by Acoustic Emission Technique, Fibre Sci. Tehnol., Number 10, 197729. Awerbuch, J., Gorman, M. R., Madhudar, M., Monitoring Acousting Emission During Quasy-Static Loading-Unloading Cycles of Filament-Wound Graphite-Epoxy Laminate Coupouns, Materials Evaluation, Vol. 43, Number 6, 198530. Yan, X., Ohsava, T., Measurement of the Internal Local Stress Distribution of Composite Materials by Means of Laser Imaging Methods, Composites, Vol. 25, Number 6, 199431. Hofer, B., Fiber Optic Damage Detection in Composite Structures, Composites, Vol. 18, Number 4, 198732. Waite, S. R., Tatam, R. P., Jackson, A., Use of Optical Fibers for Damage and rain Detection in Composite Materials, Composites, Vol. 19. Number 6, 198833. Glossop, N. D. W., Dubois, S., Tsaw, W., Leblanc, M., Lymer, J., Optical Fiber Damage Detection for an Aircraft Composite Leading Edge, Composites, Vol. 21, Number 1, 199034. Summerscales J., Non-Destructive Testing of Fiber Reinforced Plast Composites, Elvisier Applied Science Publ., 198735. Robinson, I. M., Young, R. J., Galiotis, C., Batchelder, D. N., Non-Destructive Evaluation of Composite Materials Using a RAMAN Optomechanical Strain Gage, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 198736. Rief, B., Eyerer, P., Busse, G., Non-Destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Plastic with Optically Generated Thermal Waves, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 198737. Thiery, C., Use of Medical Tomodensitometer in Non-Destructive Testing of Composite Materials, ICCM 6, Vol. 1, Elsevier Applied Science Public., 1987