Research and modeling of a multilayer composite material using basalt fabric

Introduction. The range of use of composite materials (CM) is constantly expanding, finding application in many areas of mechanical engineering, agricultural technology, aircraft manufacturing, instrumentation, shipbuilding, in the manufacture of high-pressure containers, etc. Quite often, multilayer composites consisting mainly of one type of reinforcing material and a binder are used. Of particular interest is the use of various types of reinforcing materials – more durable in the places of maximum stress in the cross section – in a single composite. As an example, we can use glass and basalt fabrics and fibers using one type of binder. The work objective is to study properties of such a material and to model it using the finite element method.

Materials and Methods. The components used are commercially available. BT-11 basalt fabric, TR-0.5 fiberglass, as well as glass mat with a density of 300 g/m2 were used as reinforcing materials. An epoxy resin of the ED-20 grade with a PEPA hardener was used as a binder. Two types of material were also manufactured for tensile and bending tests, respectively, the differences of which consisted in the number, type and layer sequence. For modeling, CAD COM-PASS 3D, APM-FEM module was used.

Results. Basalt fabric is used in the outer layers of the composite material, fiberglass – in the inner layers. This approach provides increasing the tensile strength of the composite during tensile and bending; however, critical failure leads to an instant loss of the bearing capacity of the material. The use of glass mat as the core of the composite material showed lower allowable stresses, both tensile and bending; but in case of bending, it turned out that when the material was delaminated, the load-bearing capacity of the material was about 10% of the maximum. Modeling of the material is possible with some assumptions, in view of the size of the final elements.

Discussion and Conclusions. The use of basalt fabrics as a reinforcing material provides obtaining products with the properties of both glass and carbon plastics. Such a CM will be slightly more expensive than fiberglass and much cheaper than carbon fiber. Products made of composite materials (equivalent to isotropic materials) can be modeled in computer-aided design systems using the finite element method. It is important to consider the type of loading on the product, since CM mainly have anisotropic properties (the load is applied taking into account the direction of fibers). In multilayer CM from structural fabrics, it is necessary to direct the loads along the fibers. In addition, it is necessary to consider the interlayer shear, different adhesion between the layers, etc. The main assumption of this method is the “constancy” of the material thickness, the number of layers and the order of their location.

1. Нежижимов, Д. Б. Особенности изделий из композитных материалов / Д. Б. Нежижимов // Актуальные проблемы науки и техники. — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2019. — С. 376–377.

2. Антибас, И. Р. Влияние формы гофрированного картона на амортизирующие свойства упаковки / И. Р. Антибас, С. А. Партко, А. Н. Сиротенко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2016. — T. 16, № 1 (84). — С. 36–42.

3. Антибас, И. Р. Влияние содержания древесного дисперсного наполнителя на долговечность композиционных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2017. — Т. 17, № 1 (88). — С. 67–74.

4. Антибас, И. Р. Определение характеристик компонентов композитных материалов, предназначенных для производства деталей сельскохозяйственной техники / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Донского государственного технического университета. — 2017. — Т. 17, № 3 (90). — С. 60–69.

5. Антибас, И. Р. Изготовление теплоизоляционного материала и изучение его теплофизических и механических свойств / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственно-го машиностроения : сб. ст. 10-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 20-й Междунар. агропром. выставки «Интерагромаш-2017». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2017. — С. 182–183.

6. Антибас, И. Р. Эффект влажного травления композитного материала из стекловолокна и полиамида на его свойства при изгибе и ударе / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Инновационные технологии в науке и об-разовании (ИТНО-2017) : мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф. — Ростов-на-Дону : ДГТУ-Принт, 2017. — С. 26–30. DOI: https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201803.366-378

7. Kharmanda, G. Integration of reliability and optimization concepts into composite yarns / G. Kharmanda, I. R. Antypas // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения : сб. ст. 10-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 20-й Междунар. агропром. выставки «Интерагромаш-2017». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2017. — С. 174–176.

8. Антибас, И. Р. Сравнение амортизирующих свойств гофрированной картонной упаковки разной структуры при действии вертикальной нагрузки / И. Р. Антибас, С. А. Партко // Состояние и перспективы раз-вития сельскохозяйственного машиностроения : сб. ст. 8-й Междунар. науч.-практ. конф. в рамках 18-й между-нар. агропром. выставки «Интерагромаш-2015». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2015. — С. 232–235.

9. Антибас, И. Р. Исследование влияния добавок армирующих волокон на некоторые механические свойства перспективных композитных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко, Т. П. Савостина // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса : сб. науч. тр. XII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XXII агропром. форума юга России и выставки «Интерагромаш». — Ростов-на-Дону : Изд-во ДГТУ, 2019. — С. 240–244.

10. Антибас, И. Р. Моделирование, изучение и изготовление стойки культиватора из композитных материалов / И. Р. Антибас, А. Г. Дьяченко // Вестник Мордовского университета. — 2018. — Т. 28, № 3. — С. 366–378.

11. Al-Jeebory, A. A. Effect of Percentage of Fibers Reinforcement on Thermal and Mechanical Properties for Polymeric Composite Material / A. A. Al-Jeebory, A. I. Al-Mosawi, S. A. Abdul Allah // The Iraqi Journal for mechanical and materials Engineering. — 2009, 17–18 May. — Special Issue. — P. 70–82.

12. Vincenzini, P. Advanced Inorganic Fibrous Composites V / P. Vincenzini, M. Singh // Advances in Science and Technology. — 2006. — Vol. 50. — P. 97–106.

13. Dixit, A. Modeling techniques for predicting the mechanical properties of woven-fabric textile composites: a Review / A. Dixit, H. S. Mali // Mechanics of Composite Materials. — 2013. — Vol. 49, no. 1. — P. 1–20.