Different strategies towards the mitigation of low velocity impact damages in advanced composites

Abstract

Os polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP) são hoje em dia utilizados numa vasta gama de aplicações avançadas, tais como, aeronáutica, aeroespacial e militar. No entanto, e apesar da sua baixa densidade e elevado desempenho mecânico, eles continuam ainda a apresentar algumas debilidades, como a fraca resistência interlaminar. Quando sujeitos a condições de carregamentos dinâmicos, de impacto e de corte, eles tendem a formar no seu interior micro-fissuras que podem propagar-se na região interlaminar, comprometendo desta forma o desempenho mecânico de peça. Numa tentativa de superar este problema, muitas estratégias têm sido estudadas, tais como o reforço através da espessura (por exemplo, preformas fibrosas 3D, Z-pinning e stitching), modificação da matriz e/ou reforço, e ainda reforço interlaminar. Tendo isto em consideração, este trabalho de pesquisa visa estudar diferentes estratégias para melhoria da resistência e tolerância ao dano de compósitos avançados quando submetidos a impactos de baixa velocidade. Para esse fim, um conjunto de novos laminados carbono/epóxi serão produzidos por infusão por vácuo, com o objetivo de comparar e analisar as suas características morfológicas bem como o seu desempenho mecânico. Neste sentido, novas configurações bioinspiradas assim como diferentes estratégias, estruturas e materiais para reforço interlaminar serão consideradas como potenciais abordagens para mitigação do dano para uma nova geração de compósitos laminados. A campanha de teste terá como especial foco testes de impacto de queda de dardo, a fim de avaliar e caracterizar a resistência e tolerância a danos de novos laminados, bem como a sua resposta mecânica. Posteriormente, a fim de avaliar os danos inferido, inspeções visuais e testes não destrutivos (NDT) serão realizados para medir e avaliar o dano dos provetes. Além disso, os compósitos serão caracterizados quanto à sua espessura e fração volúmica dos seus diferentes componentes. Visualizações em microscópicas serão realizadas de modo a instigar a adesão matriz/fibras, morfologia dos laminados e conteúdo de vazios. Também serão realizados ensaios mecânicos quasi-estaticos para avaliar e comparar o desempenho e os modos de falha dos novos compósitos.

Carbon fibres reinforced polymers (CFRP) are nowadays widely used in advanced applications, such as aeronautic, aerospace and army. Even though these materials possess light weight and high mechanical performance, they are still presenting some critical weaknesses, namely low interlaminar resistance. When submitted to dynamic, impact and shear loading conditions, they usually tend to develop internal micro-cracks that may propagate throughout the interlaminar region, compromising the whole composite part performance. In order to overcome this problem many strategies have been studied, such as through thickness reinforcements (e.g., 3D-wovens, Z-pinning and stitching), matrix and/or reinforcement modifications, and interlaminar toughening. With this in mind, this research work aims to study different strategies to improve low velocity impact (LVI) damage resistance and tolerance, of advanced laminated composites. To this end, several novel vacuum bag infused carbon/epoxy laminates were manufactured, and their morphologic characteristics and mechanical performances were compared and analysed. Therefore, new bioinspired configurations and different strategies, structures and materials to interleaf conventional laminates were adopted as potential damage mitigation approaches for a new composite laminate generation. Test campaign had specially focus in drop weight impact tests in order to evaluate and characterise new laminates damage resistance and tolerance, as well as their mechanic response. In order to evaluate impact damages, visual inspections and non-destructive testing (NDT) were carried out to measure and evaluate specimens’ damage. Besides this, composites were characterised according their thickness and components volume fraction. Microscopy visualisations were performed to instigate matrix/fibres adhesion, laminates morphology and voids content. In-plane mechanical tests were also performed to evaluate and compare the performances and failure modes of the new composites.