Fractura interlaminar de compósitos de matriz polimérica

Abstract

Os compósitos de matriz polimérica são actualmente utilizados num vasto campo de sectores de actividade, que vão desde a electrónica de grande consumo até às indústrias aeronáutica e espacial. Apesar dos progressos conseguidos, subsistem alguns obstáculos à generalização das aplicações estruturais de compósitos, associados aos elevados custos dos materiais e à complexidade do comportamento mecânico. Na realidade, devido a lacunas no conhecimento dos mecanismos de dano e de ruína, há um enorme potencial de optimização de estruturas compósitas. Um dos modos de dano mais perigoso dos laminados compósitos de alto desempenho é a delaminagem. Após inúmeros estudos publicados, estão disponíveis normas que permitem caracterizar a resistência à delaminagem de compósitos unidireccionais. Porém, na grande maioria das aplicações estruturais usam-se laminados multidireccionais e as delaminagens tendem a formar-se entre camadas de diferentes orientações. O objectivo principal deste trabalho foi por isso caracterizar a resistência à delaminagem de laminados multidireccionais, nomeadamente avaliar a influência da orientação das camadas adjacentes à delaminagem. Atendendo à importância prática das solicitações e dos materiais, foram realizados ensaios de modo I “double cantilever beam” (DCB), de modo II “end-notched flexure” (ENF) e de modo misto I+II “mixed mode bending” (MMB), em provetes vidro/epóxido e carbono/epóxido. Os provetes escolhidos tinham interfaces de delaminagem dos tipos 0/θ e θ/−θ, sendo θ variável entre 0 e 90 graus. A componente experimental foi amplamente suportada por modelação tridimensional com elementos finitos. Os resultados mostraram ser possível evitar fenómenos espúrios de dano intralaminar em ensaios de modo II. Todavia, em modo I, foi frequentemente possível medir apenas taxas críticas de libertação de energia, GIc, de iniciação. Por outro lado, verificou-se que à interface 0/0 corresponderam geralmente os menores valores de GIc e GIIc, e que a interface de delaminagem afectou mais esta última. Finalmente, em modo misto I+II, Gc variou de forma aproximadamente linear com a fracção de modo II, GII/G, embora se tenha constatado alguma ambiguidade na partição de modos em provetes carbono/epóxido.

Polymer matrix composites are nowadays widely used in a vast range of applications, from consumer electronics to aircraft and aerospace industries. However, in spite of the enormous progress, the spreading of structural applications still faces obstacles associated to high material costs and complex mechanical behaviour. In fact, the present unability to master composite damage mechanics leaves an enormous potential for optimization of composite structures. Delamination is considered one of the most dangerous damage modes of high performance laminated composites. Following numerous published studies, standards are currently available for the measurement of the delamination resistance of unidirectional laminates. However, the vast majority of structural applications involves multidirectional laminates and delaminations are seen to occur between differently oriented plies. The main objective of this work was therefore to characterise the delamination resistance of multidirectional laminates. The emphasis was on evaluating the effect of the orientation of delaminating plies on toughness. In view of the practical importance of the loadings and materials, mode I “double cantilever beam” (DCB), mode II “end-notched flexure” (ENF) and mixed-mode I+II “mixed mode bending” (MMB) tests were performed on glass/epoxy and carbon/epoxy laminates. Selected specimens had delaminations in 0/θ and θ/−θ type interfaces, θ varying between 0 and 90 degrees. The experimental component was supported by extensive threedimensional finite element modelling. The results showed it was possible to avoid spurious intraply damage phenomena in mode II tests. However, it was frequently only possible to measure mode I critical strain energy release rates, GIc, for initiation. On the other hand, it was seen that the 0/0 interface had the lowest GIc and GIIc values. Moreover, the latter was more sensitive to the delamination interface. Finally, under mixed-mode I+II, Gc varied quasi linearly with the mode II ratio, GII/G, although there was some mode partitioning ambiguity in carbon/epoxy specimens.