Fatigue and ageing analyses of thermoplastic composites

The aim of this study is to analyse and characterise the long term performance character- istics of thermpolastics, particularly PEEK. Fatigue is the most common failure mode in mechanical components. Therefore, a study on how fatigue properties change with age is imperative. All mechanical tests are performed on 17 ply special orientation LM-PAEK. First, a set of static and fatigue tests of the composite was performed. This was followed by immersion of a set of samples in a water bath to find the diffusivity of water within the composite, which was 9.6386 × 10−07 mm2/s, and the concentration of water within the composite when it reaches saturation, 0.184% by mass. The saturated samples were then subjected to fatigue tests at the same loading conditions as the first set. The aged samples failed much earlier than the samples that were not subjected to ageing. Although the aged composite shows reduced fatigue resistance, there does not necessarily seem to be an increase in the damage accumulation. A digital scanning calorimetry analysis of neat PEEK and PEKK, and a single ply of PEKK was done to see how the glass transition temperature and crystalinities change after layup. Neat PEKK exhibits a crystalinity of 23.5% while the laminate exhibits a crystallinity of 6.4%. A numerical analysis in the form of classical lamination theory and a simulation on ANSYS was done to verify the static tensile properties. Diffusion was modelled in ABAQUS and was found to be capable of simulating the diffusion of particles into composites.

Abstract in lingua italiana Lo scopo di questo studio è analizzare e caratterizzare le prestazioni a lungo termine dei materiali termoplastici, in particolare del PEEK. La fatica è la modalità di guasto più comune nei componenti meccanici. Pertanto, è fondamentale studiare come le proprietà di fatica cambiano con l’invecchiamento. Tutte le prove meccaniche sono state eseguite su LM-PAEK a 17 strati con orientamento speciale. In primo luogo, è stata eseguita una serie di prove statiche e di fatica sul composito. Successivamente, una serie di campioni è stata immersa in un bagno d’acqua per determinare la diffusività dell’acqua all’interno del composito, che era pari a 9, 6386 × 10−07 mm2. È stata eseguita un’analisi digital scanning calorimetry del PEEK e del PEKK puri e di un singolo strato di PEKK per vedere come cambiano la temperatura di transizione vetrosa e la cristallinità dopo la lam- inazione.Il PEKK puro presenta una cristallinità del 23,5%, mentre il laminato presenta una cristallinità del 6,4%. È stata eseguita un’analisi numerica sotto forma di teoria clas- sica della laminazione e una simulazione su ANSYS per verificare le proprietà di trazione statica. La diffusione è stata modellata in ABAQUS e si è riscontrato che era in grado di simulare la diffusione delle particelle nei compositi.