Fadiga em compósitos híbridos processados via RTM: influência da interface híbrida na delaminação nos modos I e II
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Data
2021-09-13
Autores
Monticeli, Francisco Maciel [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O desenvolvimento da indústria aeronáutica resultou na busca de materiais que atendam aos requisitos mecânicos para aplicação estrutural, visando também estruturais mais eficiente. Deste modo, os compósitos atendem aos requisitos, porém a dificuldade da aplicação de compósitos avançados ocorre principalmente pelo coeficiente de segurança e aplicação de modelos empíricos e fenomenológico de caracterização mecânica, elevando o dimensionamento devido à baixa resistência interlaminar. A adoção do compósito híbrido (fibra de carbono/vidro) pode apresentar uma solução viável com possibilidade de aumento de propriedade mecânica interfacial em caso de sinergia entre o comportamento de ambos os reforços. A aplicação de laminados híbridos reduz o módulo de elasticidade, considerando em relação de contribuição de cada reforço. Entretanto, notou-se a ausência de estudos de caracterização da propagação da trinca interlaminar dos compósitos laminados híbridos. O objetivo principal deste trabalho é a caracterização da progressão de dano interlaminar em compósitos híbridos (fibras contínuas de carbono/vidro) e o desenvolvimento de um modelo de predição de propagação de trinca, considerando os mecanismos físicos de fratura para um laminado com mais de um tipo de reforço. O laminado híbrido apresentou maior resistência à delaminação nos modos I e II sob carregamento quase-estático e cíclico, comparado aos laminados não-híbridos. Esse comportamento foi confirmado pela aplicação do método de balanço de energia com base em evidências físicas, na qual a maior rugosidade da interface híbrida foi relacionada à maior tenacidade à fratura. O compósito híbrido possui uma superfície mais rugosa devido a uma mudança em escala micrométrica da direção da trinca entre as interfaces fibra de carbono/epóxi e fibra de vidro/epóxi. Os agentes de acoplamento grupo silano atua na interação da interface carbono/epóxi/vidro potencializando a resistência a delaminação. O modelo proposto para a taxa de crescimento de delaminação por fadiga em um compósito híbrido foi desenvolvido baseado no fenômeno de formação de ponte de fibras, no qual foi possível gerar um modelo de predição mais realístico, considerando a medição do padrão de microfratura. Os padrões microscópicos formados durante o crescimento da delaminação refletem a taxa de crescimento no nível macroscópico sob carga cíclica. Para finalizar, a aplicação do projeto de processamento intercalado de fibra de carbono/vidro em um laminado híbrido é uma opção viável para aumentar a resistência à delaminação, uma vez que a interface híbrida requer maior energia para propagação do dano, resultando em maior vida em fadiga.
Developments in the aeronautical industry have led to the search for materials that meet the mechanical requirements for structural application, aimed at obtaining more efficient structures. Many composites satisfy these requirements, but advanced composites pose challenges, mainly due to the safety coefficient and the empirical and phenomenological models used for mechanical analysis and prediction. Currently, there is a need for novel design approaches to overcome the low interlaminar resistance. The adoption of a carbon/glass fiber hybrid composite is a viable solution, reducing the manufacturing costs and environmental impacts, while allowing an increase in the properties due to synergy between the two reinforcements. The application of hybrid laminates reduces the elastic modulus, due to the contribution of each reinforcement. Also, the absence of interlaminar crack propagation has been observed for laminated composites with more than one type of reinforcement. The aim of this research was to characterize the interlaminar damage progression in hybrid composites (continuous carbon/glass fiber) and develop a crack propagation model, considering the physical fracture mechanisms when more than one type of reinforcement is used. The hybrid laminate showed greater resistance to delamination in modes I and II under quasi-static and cyclic loading compared to non-hybrid laminates. This behavior was confirmed by applying the energy balance method based on physical evidence, in which the high degree of roughness of the hybrid interface was related to greater fracture toughness. The hybrid composite has a rougher surface due to a microscopic change in the crack direction at the carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy interfaces. Silane coupling agents influence the interaction at the carbon/epoxy/glass interface, enhancing the toughness behavior. The proposed model for the fatigue delamination growth rate of a hybrid composite was developed based on the fiber bridging phenomenon. A more realistic prediction model was obtained by considering the microfracture pattern measurement. The microscopic patterns formed during delamination growth reflect the growth rate at the macroscopic level under cyclic loading. Lastly, the application of the intercalated carbon fiber/glass stacking sequence in a hybrid laminate is a viable approach to increasing the delamination resistance, since the hybrid interface requires more energy for damage propagation, resulting in a longer life under fatigue loading
Developments in the aeronautical industry have led to the search for materials that meet the mechanical requirements for structural application, aimed at obtaining more efficient structures. Many composites satisfy these requirements, but advanced composites pose challenges, mainly due to the safety coefficient and the empirical and phenomenological models used for mechanical analysis and prediction. Currently, there is a need for novel design approaches to overcome the low interlaminar resistance. The adoption of a carbon/glass fiber hybrid composite is a viable solution, reducing the manufacturing costs and environmental impacts, while allowing an increase in the properties due to synergy between the two reinforcements. The application of hybrid laminates reduces the elastic modulus, due to the contribution of each reinforcement. Also, the absence of interlaminar crack propagation has been observed for laminated composites with more than one type of reinforcement. The aim of this research was to characterize the interlaminar damage progression in hybrid composites (continuous carbon/glass fiber) and develop a crack propagation model, considering the physical fracture mechanisms when more than one type of reinforcement is used. The hybrid laminate showed greater resistance to delamination in modes I and II under quasi-static and cyclic loading compared to non-hybrid laminates. This behavior was confirmed by applying the energy balance method based on physical evidence, in which the high degree of roughness of the hybrid interface was related to greater fracture toughness. The hybrid composite has a rougher surface due to a microscopic change in the crack direction at the carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy interfaces. Silane coupling agents influence the interaction at the carbon/epoxy/glass interface, enhancing the toughness behavior. The proposed model for the fatigue delamination growth rate of a hybrid composite was developed based on the fiber bridging phenomenon. A more realistic prediction model was obtained by considering the microfracture pattern measurement. The microscopic patterns formed during delamination growth reflect the growth rate at the macroscopic level under cyclic loading. Lastly, the application of the intercalated carbon fiber/glass stacking sequence in a hybrid laminate is a viable approach to increasing the delamination resistance, since the hybrid interface requires more energy for damage propagation, resulting in a longer life under fatigue loading
Descrição
Palavras-chave
Materiais Compósitos, Fadiga, Mecânica da Fratura, Fadiga interlaminar, Compósito híbrido, Propagação de trinca, Modelo analítico, Interlaminar fatigue, Hybrid composite, Crack propagation, Analytical model