Mechanical characterization of hybrid ultra-high-modulus/high strength carbon laminates

Technology advancements in the field of engineering have ushered in revolution to develop high strength, light weight, long life structures with the help advance materials such as Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs). CFRP is an advanced composite material with the advantages of high strength, lightweight, no corrosion and excellent fatigue resistance. Carbon Fiber (CF) has some important properties like high stiffness, good fatigue resistance and low density. But also to consider few demerits such as brittleness and low failure strain and after a damage or facture in the structure it affects the load bearing property. These problems can be overcome by considering hybridization of composites. Hybrid composites comprising of high modulus and high strength Carbon Fiber Reinforced Polymer were characterised and found in both unidirectional and multidirectional laminate a significant amount of pseudo yielding. This phenomenon is due to the breaking and delamination propagation of the inner high modulus carbon layer with respect to the outer high strength carbon layer. Pseudo-ductile property can be obtained by a high strength material acting as a load bearing structure and a high modulus material acting as a high strain bearing structure during load. The pseudo ductility mechanism is a safety warning before the final failure of the composite. In this thesis, a high strength CF and a high modulus CF are used to prepare hybrid composites. The experimental campaign considered Unidirectional (UD) and Quasi-Isotropic (QI) laminate, different manufacturing process, different stacking sequence of the fibers and varied ratios of materials. Tensile behaviour was obtained for standard and open-hole specimens. With the help of Digital image correlation (DIC) the strain maps are obtained for highlighting also the damage evolution.

I progressi tecnologici nel campo dell'ingegneria dei materiali hanno consentito lo sviluppo di strutture ad alta resistenza, leggere e di lunga durata con l'aiuto di materiali come i polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP). CFRP è un materiale composito con i vantaggi di elevata resistenza, leggerezza, assenza di corrosione ed eccellente resistenza alla fatica. La fibra di carbonio (CF) ha anche alcuni svantaggi come la fragilità e la bassa deformazione a rottura. Questi possono essere superati considerando compositi ibridi. I compositi ibridi possono essere composti da un polimero rinforzato con fibra di carbonio ad alto modulo e uno ad alta resistenza. La caratterizazione di laminati ibridi unidirezionali e multidirezionali ha evidenziato un comportamento pseudo-dutile. Questo fenomeno è dovuto alla propagazione della rottura e della delaminazione dello strato di carbonio ad alto modulo interno rispetto allo strato di carbonio ad alta resistenza esterno. Il meccanismo di pseudo duttilità è un importante avvertimento di sicurezza prima del cedimento finale del composito. In questa tesi, fibre di carbonio ad alta resistenza e ad alto modulo sono state utilizzate per preparare compositi ibridi. La campagna sperimentale ha considerato laminati unidirezionali (UD) e laminati quasi-isotropi (QI), preparati con diversi processi di produzione, diverse sequenze di laminazione e vari rapporti dei materiali. Il comportamento a trazione è stato ottenuto per campioni standard e forati, con l'ausilio della correlazione di immagini (DIC) e delle emissioni acustiche per caratterizzare l'evoluzione del danno.