Vezel-matrix interfase longitudinale ontbinding en translaminaire breuktaaiheid van vezelversterkte composieten: modelontwikkeling en experimentele validatie

Vezelversterkte composieten (FRC's) hebben een belangrijke transformatie teweeggebracht op het gebied van materiaalkunde, waardoor de mogelijkheden van engineering en ontwerp uitgebreid zijn. De uitzonderlijke mechanische eigenschappen van FRC's, waaronder hun hoge stijfheid- en sterkte-gewichtsverhouding, hebben hun wijdverbreide acceptatie mogelijk gemaakt in industrieën variërend van ruimtevaart en automobiel tot toepassingen op het gebied van hernieuwbare energie. Als we naar de toekomst kijken, bieden FRC's een aantrekkelijk vooruitzicht op een duurzaam en milieuvriendelijk alternatief voor traditionele materialen. Bovendien wordt verwacht dat de continue ontwikkeling van nieuwe fabricagetechnieken, computationele modellen, karakteriseringsmethoden en materiaalchemie het volledige potentieel van FRC's zal mogelijk maken. In dit opzicht dienen FRC's van koolstofvezel (en hun hybriden) als een baken van vindingrijkheid en mogelijkheden, en zijn ze een belangrijke kandidaat in het enorme scala aan materialen om uit te kiezen.

Het falen van FRC's is een complex fenomeen waarbij verschillende ingewikkelde mechanismen voor spanningsverdeling en schadevoortplanting betrokken zijn. De veelzijdige aard van dit proces is geworteld in het samenspel van talrijke factoren, zoals de aard van de versterkende vezels en matrix, hun grensvlak, het microstructurele ontwerp van de FRC en de belastingen. Bovendien kunnen de faalmechanismen op meerdere lengteschalen werken, van microschaal, waar de individuele vezels en hun interacties met de matrix een rol spelen, tot macroschaal, waar het structurele gedrag van de FRC zich manifesteert. Het ontrafelen van dit complexe faalgedrag vereist een veelzijdige aanpak die geavanceerde experimentele technieken, theoretische modellen en numerieke simulaties integreert.

Het overkoepelende doel van dit proefschrift is om het gebied van vezel-matrix-grensvlak en translaminaire breukmodellering op mesoschaal vooruit te helpen door middel van benaderingen die een uitgebreid spectrum van over het hoofd geziene details omvatten, evenals de waargenomen fenomenen die zijn afgeleid uit geavanceerde experimenten. Op het eerste gezicht lijkt de titel van dit proefschrift te impliceren dat het over twee verschillende onderwerpen gaat. Het eerste onderdeel van de titel - longitudinale onthechting van de vezel-matrix-grensvlak – betreft echter een belangrijk energiedissiperend mechanisme tijdens translaminaire breuk van FRC's, dat hun schadetolerantie en kerfgevoeligheid regelt, en is de focus van het tweede onderdeel.

Nauwkeurige voorspelling van vezelbreukaccumulatie en FRC-laagfalen vereist een grondig begrip van de spanningsherverdeling in aanwezigheid van een gebroken vezel en het bijbehorende grensvlakfalen. Na een uitgebreid overzicht van verschillende methoden voor het karakteriseren van de vezel-matrix-grensvlak, begint het onderzoek met eindige-elementensimulaties op vezelniveau. Deze simulaties onderzoeken het onthechten van één gebroken vezel van de elastoplastische matrix en de daaruit voortvloeiende herverdeling van spanningen. Na modelvalidatie via laser Raman-spectroscopie spannings-/rekgegevens uit de literatuur, worden daaropvolgende modellen geanalyseerd, waarbij een gebroken vezel wordt omgeven door intacte vezels die in hexagonale of willekeurige configuraties zijn gerangschikt. Het gebruik van multivezelmodellen heeft de nauwkeurige voorspelling mogelijk gemaakt van de herverdeelde spanningstoestand en de vorm van de spanningsconcentratiefactor (SCF)-profielen als reactie op de aangelegde rek. Deze methodologie pakt effectief de modelleringsuitdagingen en overschatting van SCF's aan die werden waargenomen in eerdere, volledig gebonden eindige-elementenmodellen. De parametrische onderzoeken die voor elk van de drie gevallen zijn uitgevoerd, geven aan dat hogere waarden van grensvlakwrijvingscoëfficiënten, afschuifsterkte en breuktaaiheid, en een grotere afkoelgradiënt na uitharding de mate van onthechting verminderen. Dergelijke verkorte onthechtingslengten komen overeen met verhoogde spanningsconcentratiefactoren op aangrenzende vezels. Bovendien vallen binnen het representatieve volume-element lagere vezelvolumefracties samen met kortere onthechtingslengtes en dus kortere ineffectieve vezellengtes. Deze verfijnde spanningsherverdelingen, in combinatie met de probabilistische attributen van vezelsterkte, kunnen worden gebruikt door longitudinale sterktemodellen om robuuste sterktevoorspellingen op te leveren.

Met behulp van het nieuwe monster met een dubbele kerf voor een fragmentatietest met één vezel, wordt het ingewikkelde grensvlakbreukgedrag van composieten met één vezel, gedoteerd met keramische (bariumtitanaat) deeltjes, grondig onderzocht. De integratie van digitale volumecorrelatie (DVC) in synchrotron-computertomografie maakt kwantitatieve rekveldbepaling mogelijk in de nabijheid van de vezelbreuk(en) en biedt perspectief op de real-time ontwikkeling van microschaalschade en faalverschijnselen. Volgens de resultaten van de globale DVC-benadering veroorzaakt vezelbreuk een piek in het axiale spanningsprofiel als gevolg van het openen van de breuk, en twee pieken in het schuifspanningsprofiel als gevolg van verhoogde schuifspanningen aan weerszijden. Deze datasets zijn waardevol voor het valideren van numerieke modellen van enkelvezelige composieten. Door de voorspelde en experimenteel verkregen axiale rek/spanningsherstellengtes en de omvang van de afschuiving-dominante zones te vergelijken, kan een nauwkeurigere schatting van grensvlakeigenschappen worden gemaakt.

Vezelhybridisatie in FRC's maakt het mogelijk materialen aan te passen om te voldoen aan bepaalde specificaties met betrekking tot sterkte, stijfheid, gewicht, ultieme breukbelasting of andere kenmerken. De geanalyseerde vezel-hybride composieten combineren twee verschillende soorten koolstofvezels, één met een hoge breukrek en lage modulus, en de andere met een hoge modulus en lage breukrek. Om de faalmechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan translaminaire breuken in interlayer/intrarayarn-hybriden en niet-hybride laminaten, werden in-situ-experimenten met behulp van computertomografie met synchrotronstraling uitgevoerd op nieuwe verkleinde compacte spanningsmonsters met dunne 0°- en 90°-lagen. De belangrijkste resultaten benadrukken de in-situ discrepantie in de progressie van scheuren over verschillende lagen en duiden vezel- (of bundel-) pull-outs aan als een significant energiedissipatiemechanisme tijdens translaminaire breuk. Met behulp van literatuurgegevens en redelijke aannames was het haalbaar om een eindige-elementenmodel op mesoschaal te ontwikkelen dat afzonderlijke definities van cohesieve faling bevat voor de 0°- en 90°-lagen. De kwantitatieve gegevens van de verkleinde monsters kunnen vervolgens worden gebruikt bij het construeren en valideren van eindige-elementenmodellen op mesoschaal voor translaminaire breuken.

Samengevat, de ontwikkeling van modellen voor het onthechten van longitudinale vezelmatrix op microschaal en translaminaire breuk op mesoschaal, zoals gepresenteerd in dit proefschrift, vertegenwoordigt een opmerkelijke stap voorwaarts in de karakterisering, voorspelling en verbetering van faalgedrag in FRC's. Het gebruik van geavanceerde in-situ beeldvormingstechnologieën, in combinatie met de ontwikkeling van nieuwe exemplaren, heeft nieuwe perspectieven geopend voor het begrijpen van het faalgedrag van het model en unidirectionele koolstof-FRC's.