Fracture Strength under Various Types of Loading and the Damping Capacity of Layered Metal–polymer Composites Reinforced with Basalt Fibers

S. V. Petrova; S. V. Gladkovsky; S. V. Smirnov; D. I. Vichuzhanin

doi:10.17804/2410-9908.2025.4.041-056

S. V. Petrova, S. V. Gladkovsky, S. V. Smirnov, D. I. Vichuzhanin

FRACTURE STRENGTH UNDER VARIOUS TYPES OF LOADING AND THE DAMPING CAPACITY OF LAYERED METAL–POLYMER COMPOSITES REINFORCED WITH BASALT FIBERS

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.4.041-056

Metal–polymer composites with layers of steel, aluminum, titanium alloys and interlayers of glass, organic, and carbon fiber plastics are increasingly widely used in aerospace and automotive industry products. The layered architecture of such materials provides them with high fatigue strength and resistance to brittle fracture, and the polymer constituent effectively damps external mechanical vibrations. The paper presents the results of studying a set of mechanical characteristics and mechanisms of destruction of hybrid layered metal–polymer composites based on the 09G2S steel, the AMg3 aluminum alloy, and polyetheretherketone (PEEK) thermoplastic polymer reinforced with 40% volume fraction of basalt fiber. Five-layered composites of four design types were made by hot pressing using a hot-curing adhesive. Impact tests using the three-point bending scheme reveal a high impact strength of the specimens made of the produced layered materials and a tendency for an abnormal increase in the KCV values as the test temperature decreases from +200 to −60 °С, with the preserved integrity of most layers of the composites. The highest recorded values of KСV ≥ 0.47–0.55 MJ/m2 were obtained on a composite containing one central and two external layers of the 09G2S steel, as well as two basalt fiber reinforced polymer interlayers. The cyclic tests of layered materials without a stress concentrator demonstrate that the highest number of cycles (N = 96 730) before destruction corresponding to a drop of applied load and delamination of individual metal layers from polymer ones is achieved in a composite with steel external layers and an aluminum central layer. The method of dynamic mechanical analysis is used to determine the damping capacity of the composites and the polymer constituent. Reinforcement of the PEEK polymer with unidirectional basalt fiber is shown to contribute to an increase in the damping parameters (tgδ, E', and E''). The study reveals the features and stages of the destruction of the layered composites, caused by the layered architecture and the properties of the constituent layers. It testifies that the studied five-layered metal-polymer composites have a fairly high level of impact strength, fatigue strength, and damping capacity.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment for the IES UB RAS, No 124020600045-0. The equipment of the Plastometriya shared research facilities at the IES UB RAS. We appreciate the assistance of Dr. P. V. Kosmachev and Dr. A. M. Patselov (both from the IPM UB RAS) in making specimens of laminated metal–polymer composites.

Keywords: layered metal–polymer composites, basalt fibers, metal layers, impact strength, cyclic tests, micromechanical properties, damping ability, fracture mechanisms

References:

Matthews, F. and Rawlings, R. Kompozitnye materialy. Mekhanika i tekhnologiya [Composite Materials. Mechanics and Technology]. Tekhnosfera Publ., Moscow, 2004, 408 p. (In Russian).
Chawla, K.K. Composite Materials: Science and Engineering, 3rd ed., Springer, New York, London, 2012, 542 p.
Kablov, E.N. New generation materials and technologies for their digital processing. Herald of the Russian Academy of Sciences, 2020, 90, 225–228. DOI: 10.1134/S1019331620020124.
Yakovlev, A.L., Nochovnaya, N.A., Putyrskiy, S.V., and Krokhina, V.A. Titanium-polymer laminated materials. Aviatsionnye Materialy i Tekhnologii, 2016, S2 (44), 56–62. (In Russian).
Naik, R.K., Das, A.K., Mahale, P.R., Panda, S.K., and Racherla, V. Design optimization of high interface strength metal-polymer-metal sandwich panels. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2023, 171, 107544. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107544.
Maleki, P., Shahzamanian, M., Basirun, W.J., Wu, P., and Akbarzadeh, A. Investigation on the bending properties and geometric defects of steel/polymer/steel sheets – three-point and hat-shaped bending. Metals, 14 (8), 935. DOI: 10.3390/met14080935.
Goncharov, V.A., Timoshkov, P.N., and Usacheva, M.N. Prospects of the production of large-sized aircraft parts from polymer composite materials (review). Trudy VIAM, 2021, 12 (106). (In Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-12-55-62.
Delmonte, J. Metal/Polymer Composites, Springer, New York, 2012, 264 p.
Antipov, V.V., Senatorova, O.G., Tkachenko, E.A., and Vakhromov, P.O. Aluminium wrought alloys. Aviatsionnye Materialy i Tekhnologii, 2012, S, 226–230. (In Russian).
Reyes-Villanueva, G. and Cantwell, W.J. The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures. Composites Science and Technology, 2004, 64 (1), 35–54. DOI: 10.1016/S0266-3538(03)00197-0.
Polmear, I. Legkie splavy: ot traditsionnykh do nanokristallov [Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals]. Tekhnosfera Publ., Moscow, 2008, 464 p. (In Russian).
Kablov, E.N., Antipov, V.V., and Senatorova, O.G. Aluminium fiberglass SIAL-1441 laminates and cooperation with Airbus and Tu Delft. Tsvetnye Metally, 2013, 9, 50–53. (In Russian).
Antipov, V.V., Serebrennikova, N.Yu., Shestov, V.V., and Sidelnikov, V.V. Laminated hybrid materials on basis of Al–Li alloy sheets. Aviatsionnye Materialy i Tekhnologii, 2017, S, 212–224. (In Russian).
Bazhenov, S.L. Mekhanika i tehnologiya kompozitsionnykh materialov [Mechanics and Technology of Composite Materials]. Intellekt Publ., Dolgoprudnyi, 2014, 328 p. (In Russian).
Dushin, M.I., Khrulkov, A.V., Mukhametov, R.R., and Chursova, L.V. Characteristic features of manufacturing PC products by the pressure infiltration method. Aviatsionnye Materialy i Tekhnologii, 2012, 1 (22), 18–26. (In Russian).
Veshkin, E.A. Postnov, V.I., Postnova, M.V., and Barannikov, A.A. Experience of application of vacuum-infusion technologies in manufacturing structures from PKM. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra Rossiyskoy Akademii Nauk, 2018, 20, 4 (3), 344–350. (In Russian).
Kazemi, M.E., Shanmugam, L., Yang, L., and Yang, J. A review on the hybrid titanium composite laminates (HTCLs) with focuses on surface treatments, fabrications, and mechanical properties. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2020, 128, 105679. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.105679.
Alshgari, R.A., Prasad, M.S.C., Srivastava, B.K., Al Ansari, M.S., Gupta, P., Sivakumar, A., Wabaidur, S.M., Islam, M.A., and Diriba, A. Mechanical evaluation on carbon/basalt fiber-reinforced hybrid polymer matrix composite. Advances in Polymer Technology, 2022, 2022, 7742349. DOI: 10.1155/2022/7742349.
Fiore, V., Scalici, T., Di Bella, G., and Valenza, A. A review on basalt fibre and its composites. Composites Part B: Engineering, 2015, 74, 74–94. DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.12.034.
De Paiva, J.M.F., Dos Santos, A.D.N., and Rezende, M.C. Mechanical and morphological characterizations of carbon fiber fabric reinforced epoxy composites used in aeronautical field. Materials Research, 2009, 12 (3), 367–374.
Dhand, V., Mittal, G., Rhee, K.Y., Park, S.-J., and Hui, D. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites. Composites Part B: Engineering, 2015, 73, 166–180. DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.12.011.
Zhelezina, G.F., Kolobkov, A.S., Kulagina, G.S., and Kan, A.Ch. Damping properties of hybrid layered metal-polymer materials based on aluminum, titanium alloys and organoplastics layers. Trudy VIAM, 2021, 2 (96), 10–19. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-2-10-19. (In Russian).
Babaytsev, A.V., Lopatin, S.S., and Nasonov, F.A. Study of dynamic characteristics of hybrid titanium-polymer composite materials. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 2024, 20 (1), 109–115. DOI: 10.22337/2587-9618-2024-20-1-109-115.
Gladkovsky, S.V., Nedzvetsky, P.D., Vichuzhanin, D.I., Kuteneva, S.V., and Lepikhin, S.V. Brittle fracture resistance and damping properties of a steel-rubber metal-polymer composite. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2020, 2, 6–18. DOI: 10.17804/2410-9908.2020.2.006-018. Available at: http://dream-journal.org/issues/2020-2/2020-2_289.html
Kimura, Y., Inoue, T., Yin, F., and Tsuzaki, K. Delamination toughening of ultrafine grain structure steels processed through tempforming at elevated temperatures. ISIJ International, 2010, 50 (1), 152–161. DOI: 10.2355/isijinternational.50.152.
Kuteneva, S.V., Gladkovsky, S.V., Vichuzhanin, D.I., and Nedzvetsky, P.D. Brittle fracture resistance and damping properties of layered metal-polymer composites. Letters on Materials, 2021, 11 (3) 279–284. (In Russian). DOI: 10.22226/2410-3535-2021-3-279-284.
Parton, V.Z. Mekhanika razrusheniia. Ot teorii k praktike [Mechanics of Destruction. From Theory to Practice]. Nauka Publ., Moscow, 1990, 240 p.

С. В. Петрова, С. В. Гладковский, С. В. Смирнов, Д. И. Вичужанин

СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ И ДЕМПФИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ, УПРОЧНЕННЫХ БАЗАЛЬТОВЫМИ ВОЛОКНАМИ

Все более широкое применение в изделиях аэрокосмической и автомобильной промышленности находят металлополимерные композиты со слоями из стальных, алюминиевых, титановых сплавов и с прослойками из стекло-, органо- и углепластиков. Слоистая архитектура таких материалов обеспечивает им высокую усталостную прочность и сопротивление хрупкому разрушению, а полимерная составляющая эффективно выполняет функцию демпфирования внешних механических колебаний. В работе представлены результаты изучения комплекса механических характеристик и механизмов разрушения гибридных слоистых металлополимерных композиционных материалов на основе стали 09Г2С, алюминиевого сплава АМг3 и термопластичного полимера полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), армированного базальтовым волокном с объемной долей 40 %. Изготовление пятислойных композитов четырех конструктивных типов проводилось методом горячего прессования с применением адгезива горячего отверждения. Ударные испытания по схеме трехточечного изгиба выявили повышенный уровень ударной вязкости образцов полученных слоистых материалов и тенденцию к аномальному росту значений KCV с понижением температуры испытаний от 200 до −60 °C при сохранении целостности большинства слоев композитов. Наибольшие зафиксированные значения KCV ≥ 0,47–0,55 МДж/м2 были получены на композите, содержащем два внешних и один центральный слой из стали 09Г2С, а также две армированные базальтовым волокном полимерные прослойки. По результатам циклических испытаний образцов слоистых материалов без концентратора напряжений установлено, что наибольшее число циклов (N = 96730) до соответствующего началу процесса разрушения падения приложенной нагрузки и отслоения отдельных металлических слоев от полимерных достигается в композите с внешними стальными слоями и центральным слоем из алюминиевого сплава АМг3. Методом динамического механического анализа определена демпфирующая способность изученных композитов и полимерной составляющей. Показано, что армирование полимера ПЭЭК однонаправленным базальтовым волокном способствует повышению показателей демпфирования (tgδ, E' и E''). Выявлены обусловленные слоистой архитектурой и свойствами составляющих слоев особенности и стадийность процесса разрушения слоистых композитов. В результате проведенного исследования установлено, что изученные пятислойные металлополимерные композиты обладают достаточно высоким уровнем ударной вязкости, усталостной прочности и демпфирующей способности.

Благодарность: Работа выполнена в рамках госзадания ИМАШ УрО РАН № 124020600045-0 с ис-пользованием оборудования ЦКП «Пластометрия» ИМАШ УрО РАН. Авторы выражают благодарность к. т. н. П. В. Космачеву (ИФПМ СО РАН) и к. ф-м. н. А. М. Пацелову (ИФМ УрО РАН) за содействие в получении образцов слоистых металлополимерных композитов.

Ключевые слова: слоистые металлополимерные композиты, базальтовые волокна, металлические слои, ударная вязкость, циклические испытания, микромеханические свойства, демпфирующая способность, механизмы разрушения

Библиография:

Меттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. – М. : Техносфера, 2004. – 408 с.
Chawla K. K. Composite Materials: Sience and Engineering. – 3rd edition. – New York : Springer, 2013. – 483 p.
Каблов Е. Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки // Вестник Российской академии наук. – 2020. –Т. 90, № 4. – С. 331–334.
Титанополимерные слоистые материалы / А. Л. Яковлев, Н. А. Ночовная, С. В. Путырский, В. А. Крохина // Авиационные материалы и технологии. – 2016. – № S2 (44). –С. 56–62. – DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S2-56-62.
Design optimization of high interface strength metal-polymer-metal sandwich panels / R. K. Naik, A. K. Das, P. R. Mahale, S. K. Panda, V. Racherla // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2023. – Vol. 171. – P. 107544. – DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107544.
Investigation on the bending properties and geometric defects of steel/polymer/steel sheets – three-point and hat-shaped bending / P. Maleki, M. Shahzamanian, W. J. Basirun, P. Wu, A. Akbarzadeh // Metals. – Vol. 14 (8). – P. 935. – DOI: 10.3390/met14080935.
Гончаров В. А., Тимошков П. Н., Усачева М. Н. Перспективы производства крупногабаритных авиационных деталей из полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 12 (106). – С. 55–62.
Delmonte J. Metal/Polymer Composites. – New York : Springer, 2012. – 268 p.
Слоистые металлополимерные композиционные материалы / В. В. Антипов, О. Г. Сенаторова, Н. Ф. Лукина, В. В. Сидельников, В. В. Шестов // Авиационные материалы и технологии. – 2012. – № S. – С. 226–230.
Reyes-Villanueva G., Cantwell W. J. The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures // Composite Science and Technology. – 2004. –Vol. 64. – P. 35–54. – DOI: 10.1016/S0266-3538(03)00197-0.
Полмеар Я. Легкие сплавы: от традиционных до нанокристаллов. – М. : Техносфера, 2008. – 464 с.
Каблов Е. Н., Антипов В. В., Сенаторова О. Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и Tu Delft // Цветные металлы. – 2013. – Т. 849, № 9. – С. 50–53. – DOI: 10.1134/S0036023613100215.
Слоистые гибридные материалы на основе листов из алюминий-литиевых сплавов / В. В. Антипов, Н. Ю. Серебреникова, В. В. Шестов, В. В. Сидельников // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – № S. – С. 212–224. – DOI: 0.18577/2071-9140-2017-0-S-212-224.
Баженов C. Л. Механика и технологии композиционных материалов. – Долгопрудный : ИД Интеллект, 2014. – 328 с.
Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением / М. И. Душин, А. В. Хрульков, Р. Р. Мухаметов, Л. В. Чурсова // Авиационные материалы и технологии. – 2012. – № 1. – С. 18–26.
Опыт применения вакуум-инфузионных технологий в производстве конструкций из ПКМ / Е. А. Вешкин, В. И. Постнов, М. В. Постнова, А. А. Баранников // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2018. – Т. 20, № 4 (3). – С. 344–350.
A review on the hybrid titanium composite laminates (HTCLs) with focuses on surface treatments, fabrications, and mechanical properties / M. E. Kazemian, L. Shanmugam, L. Yang, J. Yang // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2020. – Vol. 128 – P. 105679. – DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.105679.
Mechanical evaluation on carbon/basalt fiber-reinforced hybrid polymer matrix composite / R. A. Alshgari, M. S. C. Prasad, B. K. Srivastava, M. S. Al Ansari, P. Gupta, A. Sivakumar, S. M. Wabaidur, M. A. Islam, A. Diriba // Advances in Polymer Technology. – 2022. – Vol. 2022. – P. 7742349. – DOI: 10.1155/2022/7742349.
A review on basalt fibre and its composites / V. Fiore, T. Scalici, G. Di Bella, A. Valenza // Composites: Part B: Engineering. – 2015. – Vol. 74. – P. 74–94. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.12.034.
De Paiva J. M. F., Dos Santos A. D. N., Rezende M. C. Mechanical and morphological characterizations of carbon fiber fabric reinforced epoxy composites used in aeronautical field // Materials Research. – 2009. – Vol. 12 (3). – P. 367–374.
A short review on basalt fiber reinforced polymer composites / V. Dhand, G. Mittal, K. Y. Rhee, S.-J. Park, D. Hui // Composites Part B: Engineering. – 2015. – Vol. 73. – P. 166–180. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.12.011.
Демпфирующие свойства гибридных слоистых металлополимерных материалов на основе алюминиевых, титановых сплавов и слоев органопластика / Г. Ф. Железина, А. С. Колобков, Г. С. Кулагина, А. Ч. Кан // Труды ВИАМ. – 2021. – № 6 (96). – С. 10–19.
Babaytsev A. V., Lopatin S. S., Nasonov F. A. Study of dynamic characteristics of hybrid titanium-polymer composite materials // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2024. – Vol. 20 (1). – P. 109–115. – DOI: 10.22337/2587-9618-2024-20-1-109-115.
Brittle fracture resistance and damping properties of a steel-rubber metal-polymer composite / S. V. Gladkovsky, P. D. Nedzvetsky, D. I. Vichuzhanin, S. V. Kuteneva, S. V. Lepikhin / Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2020. – Iss. 2. – P. 6–18. – DOI: 10.17804/2410-9908.2020.2.006-018. – URL: http://dream-journal.org/issues/2020-2/2020-2_289.html
Delamination toughening of ultrafine grain structure steels processed through tempforming at elevated temperatures / Y. Kimura, T. Inoue, F. Yin, K. Tsuzaki // ISIJ International. – 2010. – Vol. 50 (1). – P. 152–161. – DOI: 10.2355/isijinternational.50.152.
Сопротивление хрупкому разрушению и демпфирующие свойства слоистых металлополимерных композитов / С. В. Кутенева, С. В. Гладковский, Д. И. Вичужанин, П. Д. Недзвецкий // Письма о материалах. – 2021. – Т. 11, № 3. – С. 279–284. – DOI: 10.22226/2410-3535-2021-3-279-284.
Партон В. З. Механика разрушения: от теории к практике. – М. : Наука, 1990. – 240 с.

Библиографическая ссылка на статью

Fracture Strength under Various Types of Loading and the Damping Capacity of Layered Metal–polymer Composites Reinforced with Basalt Fibers / S. V. Petrova, S. V. Gladkovsky, S. V. Smirnov, D. I. Vichuzhanin // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 4. - P. 41-56. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.4.041-056. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2025-4/2025-4_517.html
(accessed: 18.04.2026).