Fatigue characterization of intermingled hybrid composites with highly aligned discontinuous fibres

Thanks to their high specific strength and stiffness composite materials are currently replacing traditional materials in all fields. The main limitation is given by their intrinsic brittleness, therefore, researchers are focusing on solving this issue. One of the most promising way is to introduce pseudo-ductility to the material through hybridization: this can be achieved with different kind of configurations and fibre types. Specifically, this work will discuss about intermingled hybrid discontinuous fibre composites. These materials are manufactured with the HiPerDiF (High Performance Discontinuous Fibre) technology, a new manufacturing method, invented at the University of Bristol, which permit to obtain a high degree of discontinuous fibre alignment. To allow industrial exploitation of such technology, fatigue characterization for this type of configurations is required, since only tension stresses have been fully studied so far. It was found that clustering phenomena heavily influences the fatigue resistance of intermingled hybrids specimens, but overall, a far better behaviour is achieved with aligned discontinuous fibres reinforced composites (ADFRCs) than conventional homogenous composites, due to the pseudo-ductility achievement behaviour, given by the fragmentation of the low elongation constituent, resulting in stiffness reduction until failure, which happens around 80% of the initial stiffness value. Moreover, stress concentration effects were found to be relevant only when the polishing process was not made properly, with consequent early failure, due to the presence of micro-notches representing stress concentration factors. On the other hand, the majority of specimens failure occurred in the middle of the gauge length.

I materiali compositi stanno ormai sostituendo tutti gli altri materiali più tradizionali, come metalli e ceramici, grazie alla loro minore densità combinata con elevate proprietà meccaniche. La principale limitazione al loro impiego è data dall’intrinseca fragilità, motivo per cui si stanno studiando diverse soluzioni per superare questo problema. Una delle più promettenti è data dalla cosiddetta pseudo duttilità, una caratteristica che si può introdurre nel materiale aumentandone la deformazione a rottura, grazie alla formazione di un punto di snervamento, con comportamento simile a quello plastico dei metalli duttili, in maniera tale da non avere una frattura catastrofica. Una delle tecniche più promettenti è l’ibridazione, ottenibile a partire dal processo di manufacturing, formando diversi tipi di configurazioni basati sull’utilizzo di tipi diversi di fibre. Specificamente, questo progetto si occupa di fibre discontinue ibride (carbonio e vetro) “mescolate” tra di loro ad un alto livello di dispersione e allineamento, reso possibile grazie all’uso della tecnologia HiPerDiF, un nuovo metodo capace di ottenere un elevato allineamento di fibre, realizzato recentemente alla University of Bristol. Per permettere l’utilizzo industriale di questa tecnologia, una caratterizzazione del comportamento a fatica di questa configurazione è richiesta, visto che, fino ad ora, studi sugli sforzi a trazione sono già stati eseguiti. Dai risultati ottenuti si è evinto quanto la presenza di aggregati di fibre all’interno dei provini, sia degradante per la resistenza a fatica, in quanto aumentano notevolmente gli effetti di concentrazione degli sforzi. In ogni caso, il comportamento a fatica dei materiali pseudo duttili presenta una resistenza 10 volte maggiore dei compositi omogenei convenzionali, con un certo preavviso di rottura dato da stabili frammentazioni del componente fibroso con minor deformazione a rottura. Queste risultano nella diminuzione del modulo elastico fino a rottura, che per i provini ibridi si verifica quando il modulo elastico raggiunge circa l’80% di quello iniziale, a differenza del 2% di quelli omogenei convenzionali. Inoltre, effetti di concentrazione degli sforzi si sono verificati solo in casi di presenza di micro difetti sulla superficie dei provini, formatisi a seguito del processo di levigatura. In tutti gli altri casi, invece, la rottura si è verificata sempre nella zona centrale dei provini stessi.