Effects of resin and processing on mechanical properties of carbon fiber composites

Carbon reinforced composites are nowadays employed in several high performance applications. The crucial step for a high quality product is the manufacturing process. Voids, moisture and defects must be avoided, otherwise mechanical properties of the part can decrease drastically. The aim of this work is to evaluate the influence of processing parameters on compressive, interlaminar and impact-after-impact strength in different materials. The first one is a unidirectional (UD) carbon fibers-epoxy resin laminate made by prepreg lay-up followed by in- or out-of-autoclave (OoA) treatment. The second one is a carbon fiber fabric with both ELIUM RT-150 acrylic and Araldite LY 1564 epoxy matrix produced by resin transfer moulding (RTM) varying injection and post-pressure. A preliminary analysis was made before testing: for both materials fiber volume fraction has been calculated with ignition loss method, while only for carbon fiber fabric ultrasound C-scans (US) have been performed. UD carbon fibers-epoxy laminates does not show differences among autoclave and OoA treatments, while frequency of debulking improves only compressive properties, leaving almost unchanged interlaminar and impact-after-impact properties. US show high level of porosity and delamination for carbon fiber fabric with ELIUM RT-150 plates, highlighting difficulties in RTM process. The presence of defects influences interlaminar shear strength, which result for acrylic plates from 12% to 28% lower than the epoxy one, without influence of RTM injection pressure nor of RTM post-pressure. Impact-after-impact properties result not to be affected by different resins nor by production parameters.

I materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio sono attualmente impiegati in svariate applicazioni ad alte prestazioni. Per ottenere un prodotto di alta qualità è necessario avere un buon controllo del processo produttivo. Vuoti, umidità e difetti non devono essere presenti per evitare un crollo delle proprietà meccaniche. L’obiettivo di questo lavoro è valutare l’influenza dei parametri di processo sulla resistenza a compressione, interlaminare e ad impatto dopo impatto su diversi materiali. Il primo è un laminato unidirezionale (UD) in fibra di carbonio con matrice epossidica realizzato mediante laminazione manuale seguita da trattamento con o senza autoclave (OoA). Il secondo è un tessuto in fibra di carbonio con matrice acrilica ELIUM RT-150 ed epossidica Araldite LY 1564 realizzato con stampaggio a trasferimento di resina (RTM) variando pressione di iniezione e post-pressione. Prima delle prove sperimentali è stata condotta un’analisi preliminare: per entrambi i materiali è stata calcolata la frazione in volume di fibra con il metodo di perdita per ignizione, mentre un’analisi agli ultrasuoni (US) è stata effettuata solo per il tessuto in fibra di carbonio. I laminati UD non mostrano differenze tra trattamento in autoclave e OoA, mentre la frequenza di debulking migliora solo le proprietà a compressione, lasciando pressoché invariate quelle interlaminari e ad impatto dopo impatto. Gli US mostrano un alto livello di porosità e delaminazione per i tessuti con matrice ELIUM RT-150, ad evidenza delle difficoltà riscontrate nel processo RTM. La presenza di difetti influenza la resistenza a taglio interlaminare con una riduzione dal 12% al 28% di tale proprietà per le lastre con matrice acrilica, rispetto alla epossidica. Nessuna influenza della pressione di iniezione né della post-pressione RTM è stata riscontrata. Le proprietà ad impatto dopo impatto risultano indipendenti dal tipo di matrice utilizzata e dai parametri di processo.