Gradual failure of high-performance hybrid composites: tensile and bending behaviour

Abstract

Los compuestos reforzados con fibra se utilizan cada vez más para estructuras primarias, ya que proporcionan un ahorro de peso significativo al tiempo que mantienen el mayor desempeño estructural, mejorando la eficiencia en combustible y reduciendo los costos de mantenimiento. Desafortunadamente, la alta rigidez y resistencia de los materiales compuestos se obtiene a expensas de su limitada tenacidad. El fallo de los compuestos suele ser repentino y catastrófico. Para garantizar operaciones seguras, se aplican factores de seguridad mucho mayores para los compuestos que para los materiales dúctiles como los metales. Esta condición produce estructuras sobrediseñadas, reduciendo los beneficios de peso. Estas graves limitaciones no solo impiden que los ingenieros y operadores aprovechen las ventajas de rendimiento de los compuestos, sino que los hacen inadecuados para muchas aplicaciones en las que las condiciones de carga no son completamente predecibles y no se pueden tolerar fallas catastróficas. Lograr una falla gradual en los materiales compuestos puede ayudar a las estructuras a mantener la funcionalidad incluso cuando están sobrecargadas, aumentando el alcance de las aplicaciones de los compuestos en estructuras críticas en industrias como la aeroespacial y la automotriz.

El objetivo de esta tesis es explorar el fallo gradual de los compuestos híbridos bajo tensión y flexión, combinando análisis experimental y numérico. Este trabajo presenta nuevas arquitecturas compuestas que utilizan preimpregnados de carbono-epoxi de capas delgadas y preimpregnados de vidrio-epoxi tipo S de espesor de capa estándar. Todos los laminados se consolidan en autoclave y se prueban en una máquina de prueba servo-hidráulica universal controlada por computadora. Para los ensayos de tracción, se proponen laminados multidireccionales, analizando el efecto híbrido cuando se modifica la secuencia de apilamiento. El efecto híbrido se define en esta tesis como la mejora en la deformación en caso de rotura de las fibras de carbono en un compuesto híbrido en comparación con un compuesto de carbono puro. Por otro lado, para los ensayos de flexión, se propone una nueva metodología y dos novedosos laminados asimétricos unidireccionales para lograr un fallo gradual al promover el inicio del fallo en tracción y evitar un fallo catastrófico en compresión.

Con este trabajo se logra una falla gradual para configuraciones híbridas tanto en tensión como en flexión. La falla se caracteriza por la degradación progresiva de las capas delgadas de carbono por múltiples grietas (fragmentación) y delaminación local. Para las pruebas de tracción, las capas de vidrio de espesor estándar fallan repentinamente después de una mayor reducción de la resistencia de las capas de carbono por fragmentación. Se investigó la variación en el efecto híbrido en la etapa más temprana del daño, analizando una sola grieta en una de las capas de carbono 0 °. La distribución de deformaciones no uniforme a través del espesor producido por la fisura se ve afectada por la secuencia de apilamiento, aumentando o disminuyendo la concentración de deformaciones en las capas no dañadas y cambiando el efecto híbrido. Se propusieron correlaciones entre el efecto híbrido y la rigidez de la capa adyacente.

Por otro lado, para los ensayos de flexión se evitan fallas catastróficas y se logran altos valores de desplazamiento por flexión. El fallo gradual capa por capa de las capas superficiales en el lado de tracción produce una apariencia similar a un cepillo. Las observaciones microscópicas de las pruebas interrumpidas verificaron la fragmentación seguida de delaminación local en el lado de tracción de la viga. Grietas a un ángulo entre ± 45 ° y ± 60 ° con respecto a la dirección de la fibra se identificaron como mecanismo de falla único en compresión. El análisis numérico fue crucial para comprender la secuencia de fallas y el mecanismo de daño en las configuraciones híbridas.

Fibre-reinforced composites are increasingly used for primary structures, as they provide significant weight savings while maintaining the highest material and structural performance, improving fuel efficiency and lowering maintenance costs. Unfortunately, the high stiffness and strength of composite materials come at the expense of their limited toughness. The failure of composites is usually sudden and catastrophic. To ensure safe operations, much greater safety factors are applied for composites than for ductile materials like metals. This condition produces overdesigned structures, reducing the weight benefits. These serious limitations not only prevent engineers and operators from exploiting the performance advantages of composites, but render them unsuitable for many applications in which loading conditions are not fully predictable, and catastrophic failure cannot be tolerated. Achieving gradual failure in composites can help structures to maintain functionality even when they are overloaded, increasing the scope of composites applications in critical structures in industries such as aerospace and automotive.

The aim of this thesis is to explore the gradual failure of thin ply hybrid composites under tension and bending, combining experimental and numerical analysis. This work introduces new composite architectures using thin ply carbon-epoxy prepregs and standard ply thickness S-Glass-epoxy prepregs in an interplay configuration. All laminates are consolidated using autoclave and tested in a computer-controlled universal servo-hydraulic test machine. For tensile tests, less explored multidirectional layups are proposed, analysing the hybrid effect when stacking sequence is modified. The hybrid effect is defined in this thesis as the enhancement in the strain at failure of the carbon fibres in a hybrid composite compared with a pure carbon composite. On the other hand, for bending tests, a new methodology and two novel unidirectional asymmetric layups are proposed to achieve gradual failure by promoting failure initiation in tension and avoid catastrophic failure in compression.

Favourable gradual failure has been achieved for hybrid configurations in both tension and bending. The failure is characterised by progressive degradation of the thin carbon/epoxy layers by multiples cracks (fragmentation) and dispersion delamination. For tensile tests, standard thickness S-glass/epoxy layers fail suddenly after further strength reduction of carbon plies by fragmentation. Variation in the hybrid effect was investigated in the earliest stage of damage, analysing a single crack in one of the 0° carbon plies. The non-uniform strain distribution through the thickness produced by the crack is affected by the stacking sequence, increasing or decreasing the strain concentration on the undamaged layers and changing the hybrid effect. Correlations between the hybrid effect and stiffness of the adjacent layer were proposed.

On the other hand for bending tests, catastrophic failure is avoided and high values of flexural displacement were achieved. The gradual layer-by-layer failure of the surface layers on the tensile side produces a brush-like appearance. Microscopy observations from interrupted tests verified fragmentation followed by local delamination on the tensile side of the beam. Stable shear cracks at an angle between ±45° and ±60° to the fibre direction were also identified as a unique failure mechanism in compression. Numerical analysis was crucial to understanding the failure sequence and damage mechanism in the hybrid configurations.