Preliminary studies on damage tolerance of CMC materials for hot structures in space vehicles

Composites have always been widely used on the aeronautical and space industry. The combination of materials in order to achieve specific characteristics have been fundamental to advance those engineering fields that have such unique challenges. Ceramic Matrix Composites are no exception. Ceramics have a wide use on high temperature applications but are very brittle. The incorporation of fibers into a ceramic matrix composite allows for utilization of the high temperature properties of ceramics and the strength of composites. Ceramic Matrix Composites offer the highest specific strength at temperatures high temperatures among all engineering materials available. For this reason they are of special interest to aeronautical an space engineers. They have been used in aeronautical brake disks, rocket nozzle, Thermal Protection Systems and, more specifically in Hot Structures. Hot Structures are structural components designed with materials that allow them to work under high temperature, eliminating or reducing the need for isolation/ cooling strategies. This thesis has as its main objective to perform a preliminary analysis on damage tolerance of a C/SiC ceramic matrix composite that is being studied for Hot Structure applications. This will be performed by simulating an Compact Tension Test on ABAQUS environment for both Translaminar Fracture Toughness and Interlaminar Fracture Toughness. The developed model used cohesive elements with Masx damage criterion in order to predict crack initiation and propagation. This thesis will also use the stress fields obtained on the simulation to propose modifications in the design of the initial test specimen in order to make it able to withstand the test without undesirable failure modes. A influence of strength in the results of Compact Tension tests was encountered, challenging the common simplification that only the fracture energy has impact on this test. The development of a reliable model is the first step to being able to use the material for engineering projects. The ability to minimize the number of physical tests done by relying on simulations is essential in innovative fields such as aeronautical and space applications as the materials and manufacturing methods are highly specialized and can incur in very high costs for experimental campaigns.

I materiali compositi sono da sempre ampiamente usati nell’industria aeronautica e spaziale. Possono essere ricombinati per ottenere caratteristiche specifiche, un aspetto fondamentale per l’avanzamento tecnologico in ambiti con requisiti particolari. I compositi a matrice ceramica non sono un’eccezione. Le ceramiche sono principalmente usate per applicazioni ad alte temperature, ma hanno lo svantaggio di essere molto fragili. Tuttavia, incorporare delle fibre dentro una matrice ceramica permette di sfruttare sia le proprietà delle ceramiche ad alte temperature sia la resistenza dei compositi. Questa specifica classe di compositi offre la più alta resistenza specifica alle alte temperature rispetto alle alternative disponibili e per questo è molto interessante in ambito aeronautico e spaziale. Materiali di questo tipo sono già stati utilizzati nei freni a disco aeronautici, negli ugelli dei razzi, nei sistemi di protezione termica e, più nello specifico, nelle Hot Structures. Le Hot Structures sono componenti strutturali progettati con materiali che permettono delle alte temperature operative, eliminando o riducendo l’isolamento e i sistemi di raffreddamento necessari. Questa tesi si pone come obiettivo principale di condurre un’analisi preliminare sulla tolleranza al danno di compositi a matrice ceramica in C/SiC che viene studiato per applicazioni Hot Structure. La ricerca è condotta tramite simulazioni di test a tensione compatta sul software ABAQUS, per la resistenza alla frattura translaminare e interlaminare. Il modello sviluppato adotta elementi coesivi con criterio di danno Masx, per predire l’inizio e la propagazione delle cricche. Questa tesi utilizzerà anche i stress field ottenuti sulla simulazione per proporre modifiche nella progettazione del campione di prova al fine di renderlo in grado di resistere al test senza modalità di rottura indesiderate. È stata riscontrata un’influenza della resistenza nei risultati dei test di trazione compatta, contraddicendo la comune semplificazione secondo cui solo l’energia di frattura ha un impatto su questo test. Lo sviluppo di un modello affidabile è il primo passo per essere in grado di usare questo materiale nei progetti di ingegneria. Minimizzare il numero di test fisici, possibile grazie alle simulazioni, è essenziale in ambiti innovativi come le applicazioni aeronautiche e spaziali, poiché i materiali e i metodi di produzione sono altamente specializzati e i costi delle campagne sperimentali possono raggiungere valori molto elevati.