Royal Institute of Technology (KTH)                   

Laboratory assignment SD2414 Fiber composites – Materials and Manufacturing 

     

           Teacher: Magnus Burman Students: Benjamin Krank, Simon Börjeson, Vivian van der Burgt Group number: 6 Date: 11 March 2011 

    

This report describes the predictions of different laminate properties of a manufactured glass fiber – polyester composite. First the results are presented in the tables below and the manufacturing procedure is shown. This summarizes all the data of the laminate. In the second part the calculations of mechanical properties are given and explained. These predictions will be taken into consideration in the discussion part.   

Part 1 Manufacturing of Laminates  1.1 Results 

  

Layer  Dimensions [cm] Weight [g] 1  38x40 103,52  38x40 108,53  38x40 105,54  38x40 105,9Total    +/‐ 420

Reinforcement notation 

 

Fiber  type 

 

Approximate areal weight [g/m2] 

     0°  45°  ‐45°  90°  Mat  Total 

C (Combi)  E‐glass  350  ‐‐‐  ‐‐‐  200  100  650  

acking sequence #  tS Stacking sequence Orientation 2  C/C/C/C [0/0/0/0]  

   

 

   

Weight of resin  459,3 g.Weight of initiator  6,1 g.Weight of unused polyester  65 g.Weight of used polyester  394,3 g.

Resin type  Unsaturated PolyesterPredicted resin weight  450,8 g 

Room temperature  19°CPredicted gel time  45 minResin mixed (at what time)  13:09 

Resin gels (at what time)  13:54Actual gel time  46 min

1.2 Calculations  

l volume  of the fibres and the matrix.  First we calculated the tota E‐glass = 2600 kg/ m³  Polyester = 1200 kg/ m³ ρρ 

    

 The fibres have a fiber volume of appro mately 0.3. This means that 161 ml is 30% and the matrix volume is 70%. This will bring us to the xt calculation: 

xi ne

 

  

 T oly 

,   . 

he total weight needed for the P ester is: 

 1.3 weight percent initiator has to the   .  to be add     unsaturated polyester

0,013 450,8 5,9  .  

     

P art 2 Prediction of Laminate Properties 

2.1. Calculations 1. Consider the reinforcement only and cal late weight fraction of fibers. You need to calculate separate weight fraction forc nt type and fiber type. 

cus for each rein eme

0.515 

0.485 

e ompo t n d laye  have the weight fractions Th  c si e is separated into the different orie te rs, which 

0.538,  0.308 and  0.154 d These weight fractions account for the weight of the whole composite including fibers an

matrix in each fiber orientation respectively. Furthermore, the weight fractions on  of   irection is calculated in the following: 

ly  the fibers in each d

.· 0 277 · 0.158 · 0.0792 

2. Then calculate the volume fractions o fferent reinforcement layers and the matrix e.g. using Equation 3­2 in Å

f the diström. 

·· ·

0

1 0.671 

.329 

 0.177,  0.101,  0 and  0.051 are calculated in the same way as  .  

sing “rule of mixtures”. Include cessary. 

3. Estimate the moduli in the 0°, 90°, and 45° directions ue  (be rs) where ne

es as follows: reinforcem nt efficiency factors ta­facto

 the tablThe efficiency factors were taken from° 1,  ° 0,  ° 0.1 and 

The Young’s modulus is calculated s0.375 

 a  · · ·  

hus, the values for the different layers are  . ,  .  and .  considering the material properties  70  and  3.85 . T

 4. Estimate the moduli in the 9 45 the 10% rule”.  0°,  0°, and  ° directions using “

· 5.59  · 2

 ·

The  ‐factors in the different directions are ° 1,  ° 0.1,  ° 0.1,  ° 0.1as well as 0.375. Thus, the  ‐factors are  0 ,  0.420 and  0.142. With these e 

.627

·values, th Young’s moduli are calculated with  

 nd get  . ,  .  and  . . a 5. Estimate strengths in the 0°, 90°, and 45° directions using “rule of mixtures”. Include 

 where necessary. Use an approximate failure strain of reinforcement efficiency factors2%. 

aThe strengths are c lculated with ·  

and  amount  to  ,    and        assuming  a  maximum strain of  0.02. 

 6. Estimate strengths in the 0°, 90 ng “the 10% rule”. °, and 45° ons usi

  directi· 511.6

·  .  .  .  

     2.2. Discussion    Rule of Mixtures 10% ‐ rule Orientation  E     E      0°  1  6.31 325 16.03 3  20.590°  1  0.99 219 10.73 2  14.645°  5.86  116 3.64 72.8  T  

able 1: results E­modulus and Strength.  

The 10%‐rule bases  its  results on  the properties of  a unidirectional  lamina. Depending on  the fibre  direction  the  actual  stiffness  is  calculated  by  adding  a  factor,  λ.  For  a  0‐degree  fibre direction  this  factor  is  set  to  1  and  for  45°  and  90°  fibre  angles  the  factor  is  set  to  0.1  (this explains  the name of  the  rule).  Experience has  shown  that  this  factor  gives  results  that  agree relatively  well  to  reality.  However  the  method  is  not  designed  to  be  applied  on  CSM‐mats. espite this, the 10%‐ rule is still applied on stiffness calculations of CSM‐fibre. This could well D

be a source of error.  The Rule  of Mixtures method  could  be  regarded  as more  accurate  than  the  10%  rule  since  it analyses the fibre and matrix separately. To calculate the fibre stiffness for a particular angle a einforcement  efficiency  factor  is  introduced  β.  The  factor  takes  into  account  the  amount  of rfibres that are effective in the direction of interest.   By comparing  the results of  the  two different methods, Table 1, one can realize  that  they give very  similar  stiffness  values  for  0‐  and  90  degree  fibre  directions.  The  10%  rule  seems  to generate  slightly  lower values,  i.e. more  conservative  results. However,  for  a  fibre  angle  at  45 degrees the methods generate completely different numbers.