Simulerer manglende evne til at finde styrken i kompositter

Fiberforstærkede kompositter er meget udbredt i rumfart og andre højteknologiske industrier. At forstå, hvordan deres mikrostruktur og styrken af ​​fiber-matrix-grænseflader påvirker deres fejlegenskaber, kan føre til fremstilling af stærkere materialer. En nylig undersøgelse ved University of Illinois i Urbana-Champaign udviklede en model til at identificere følsomheden af ​​tværgående revner, en af ​​de vigtigste fejlprocesser i kompositlaminater, på detaljer om den sammensatte mikrostruktur.

Kompositlaminater, der bruges i rumfartsapplikationer, er typisk lavet af lag af kulfiber med forskellige orienteringer indlejret i epoxy. For eksempel, kompositlaminatet kan være sammensat af et kulstof/epoxylag med fibrene orienteret i 90 graders retningen klemt mellem to 0 graderslag. Fibrene er hver omkring syv mikrometer i diameter, eller omkring en syvendedel af tykkelsen af ​​et menneskehår.

"Vi ved fra eksperimenter, at revner forplanter sig på tværs af 90-gradersplanet, stop derefter, når de når grænsefladerne med 0-graderslagene. Så vi udviklede en metode, der giver os mulighed for at simulere hundredvis af fibre i et realistisk system og studere, hvordan fejlreaktionen påvirkes, hvis vi ændrer placeringen af ​​en enkelt fiber eller af mange fibre, eller styrken af ​​grænsefladen, sagde Philippe Geubelle, en professor ved Institut for Luftfartsteknik.

I denne nye metode, optiske mikrofotografier tages af 90-graderslaget, og placeringen af ​​alle fibrene ekstraheres for at konstruere en realistisk beregningsmodel af laget. Lignende undersøgelser har været begrænset til snesevis af fibre.

"Med den specielle finite element-metode, vi har udviklet til at simulere den tværgående revnedannelse af 90-graderslaget, vi kan simulere hundredvis af fibre, " sagde Geubelle. "Det meste, vi har gjort indtil videre, er tæt på 3, 000 fibre."

"Fordi revnen forplanter sig primært langs fiber-matrix-grænsefladerne, vores model understreger den sammenhængende fejl i disse grænseflader, sagde han. Desuden vi har udviklet evnen til effektivt at udtrække fejlhændelsens følsomhed med hensyn til mikrostrukturens egenskaber, herunder placeringen og størrelsen af ​​fibrene, og fiber-matrix-grænsefladernes fejlegenskaber. Vi kan også beregne følsomheden af ​​fejlhændelsen med hensyn til parametrene (gennemsnit, standardafvigelse, osv.), der definerer fordelingen af ​​disse mikrostrukturelle parametre."

Modellen er valideret mod eksperimentelle observationer udført i Prof. Nancy Sottos' gruppe i Institut for Materialevidenskab og Engineering ved University of Illinois.

"Selvfølgelig, du kunne få disse følsomheder eksperimentelt, med enhver tænkelig variation, for at se, hvad effekten er på fejlbegivenheden, " sagde Geubelle. "At gøre dette numerisk er meget mere effektivt."

Studiet, "Tværgående fejl i ensrettede kompositter:følsomhed over for grænsefladeegenskaber, " Integreret Computational Materials Engineering .