Modellazione del danno e dell'integrità strutturale nei compositi carbon-carbon

Carbon-Carbon materials are a class of composites consisting of carbon fiber rein- forcement in a matrix of graphite. Their main advantage, compared to conven- tional polymer matrix composites, is the ability to withstand temperature up to 2500◦ C, providing high dimensional stability and low thermal expansion. In addi- tion, the excellent tribological properties make this material the ideal choice for high-performance brake discs, both in aerospace and motor racing fields. Since these brakes are a safety component in composite material, it is important to predict and simulate the experimental and numerical study of the failure mechanisms of this material. This thesis is focused on the identification of a method to represent the damage in industrial applications. First is performed the material characteriza- tion: the particular procedures to create this material have introduced significant problems to the experimental tests, which have been solved through the use and the development of innovative techniques, obtaining satisfactory results. Two dif- ferent numerical techniques to predict inelastic phenomena were considered. By Progressive Failure Analysis has been developed a procedure to simulate the damage in composite materials, with excellent results in terms of numerical-experimental correlation and a faithful reproduction of the brake discs failure in bench tests. This simple technique is suitable for industrial design applications. The hybrid bi-phasic approach developed by Politecnico di Milano, has been used and developed to inve- stigate more carefully the intra- and interlaminar damage mechanisms by a more accurated model. The effectiveness of this technique and the proposed changes have allowed to estimate the fracture toughness limits of the material and to identify the phenomena that affect the various damage mechanisms.

I materiali Carbon-Carbon (CC) rappresentano una classe di compositi realizzati con rinforzo e matrice in carbonio. Il loro principale vantaggio rispetto ai comuni compositi a matrice polimerica risiede nella capacità di resistere fino a temperature di 2500◦ C, garantendo elevata stabilità dimensionale e bassa dilatazione termica. In aggiunta a ciò, le ottime proprietà tribologiche rendono questo materiale la scelta ideale nella realizzazione di dischi freno ad altissime prestazioni, utilizzati sia in ambito aerospaziale che nelle principali competizioni automobilistiche. Dal mo- mento che questi freni rappresentano un componente di sicurezza in composito, è necessario essere capaci di predire e simulare i diversi processi di danneggiamento, che possono verificarsi in condizioni operative. Questo lavoro di tesi è focalizzato sullo studio sperimentale e numerico dei meccanismi di rottura del materiale in esame. Nella prima parte viene svolta un’attività di caratterizzazione: le particolari procedure di realizzazione di questo materiale hanno introdotto notevoli compli- cazioni nella realizzazione delle prove sperimentali, risolte attraverso l’utilizzo e lo sviluppo di tecniche innovative, ottenendo risultati soddisfacenti. Sono state poi considerate due diverse tecniche di modellazione numerica per la previsione di fenomeni anelastici. Attraverso la Progressive Failure Analysis è stata messa a punto una procedura per la simulazione della nucleazione ed evoluzione del danno nei materiali compositi, che ha permesso di ottenere ottimi risultati in termini di correlazione numerico-sperimentale, consentendo di riprodurre fedelmente il cedi- mento di dischi freno, avvenuto durante prove al banco. Questa tecnica, di semplice implementazione, risulta particolarmente adatta per applicazioni nell’ambito della progettazione industriale. La tecnica ibrido-bifasica, sviluppata dal Politecnico di Milano, è stata utilizzata ed ulteriormente elaborata al fine di indagare più appro- fonditamente i meccanismi di danno intra- ed interlaminari attraverso un modello di dettaglio. L’efficacia di questa tecnica e le modifiche proposte hanno permesso di ottenere una stima dei limiti di tenacità a frattura del materiale ed individuare i fenomeni che influenzano i diversi meccanismi di danno.