Characterization of tensile and damage tolerance properties of ceramic matrix composites for reusable space vehicles

Reusability is nowadays one of the main drives for the development of next generation of space vehicles, in order to achieve a sensible reduction of the cost of access to space. In this context, Ceramic Matrix Composites (CMCs) gained increasing interest for their extraordinary ability to withstand a structural role even in extreme thermal environments. In this work a protocol for experimental characterization, oriented to assess damage tolerance, was set up for two different materials, a woven C/C-SiC and a unidirectional C/ZrB2-SiC composites, named ISIComp© and UHTCMC respectively. Elastic behavior, inelastic phenomena, strength and damage modes were investigated for different material orientations by means of tensile testing. Low-energy impact tests were performed on both materials exploiting a custom testing setup. This test was meant to recreate the possibility of debris or tool impact. Different impact energies were applied on the specimens constrained in two different configurations, supported and unsupported. After-impact residual properties were investigated with three points bending test, comparing the results with the one of as-built material. Optical Microscope analyses were performed to investigate the failure and damage modes of the different material phases. Tensile curves of ISIComp© always show nonlinearity and inelasticity, which magnitudes grow with the angle of orientation, while elastic properties and strength reduces. UHTCMC shows large nonlinear, pseudoplastic and tough behaviors in every orientation except for 90° specimens which show elastic, stiff and fragile behaviors. Evident strain hardening effects are present in the fiber-dominated orientation, just before the failure of the specimen. For both materials, microscopy analyses show different crack morphology and damage modes for the different orientation. Low-energy impact tests show that both materials do not present evident sign of indentation or surficial damage, but if UHTCMC shows a compliant behavior with the impact energy that seems to be dissipated through the pseudoplasticity of the material, ISIComp© shows a stiff behavior with a narrow range of threshold energies, between an ineffective impact and the complete loss of strength. Moreover, ISIComp© impact resistance shows a dependence on the lamination sequence.

La riusabilità è oggi una delle principali caratteristiche che guida lo sviluppo della prossima generazione di veicoli spaziali, al fine di ottenere una tangibile riduzione del costo di accesso allo spazio. In questo contesto, i compositi a matrice ceramica (CMC) hanno guadagnato crescente interesse per la loro straordinaria capacità di svolgere ruoli strutturali anche ad altissime temperature. In questo lavoro è stato impostato un protocollo di caratterizzazione sperimentale con valutazione della tolleranza al danno per due diversi materiali compositi a matrice ceramica, un tessuto C/C-SiC e un unidirezionale C/ZrB2-SiC, denominati rispettivamente ISIComp© e UHTCMC. Attraverso prove di trazione è stato analizzato il comportamento elastico, i fenomeni anelastici, la resistenza e le modalità di rottura per le diverse sequenze di laminazione. Test d'impatto a bassa energia sono stati eseguiti su entrambi i materiali con configurazione realizzata per ricreare una condizione di impatto con detriti o utensili. I provini sono stati impattati con diversi valori di energia e in due configurazioni di supporto, supportato e non supportato. Le proprietà residue del materiale impattato sono state investigate mediante test di flessione a tre punti e confrontate con quelle del materiale intatto. Attraverso analisi al microscopio ottico sono state analizzate le modalità di rottura e danneggiamento delle diverse fasi del materiale. Le curve di trazione di ISIComp© sono sempre caratterizzate da non linearità e anelasticità, crescenti con l'angolo di orientamento delle fibre, mentre la rigidezza e la resistenza diminuiscono. L'UHTCMC mostra grandi comportamenti non lineari, pseudoplastici e tenaci in ogni orientamento tranne che per i provini a 90° che mostrano un comportamento elastico, rigido e fragile. Evidenti effetti di strain hardening si verificano negli orientamenti dominati dalle fibre appena prima della rottura del provino. Per entrambi i materiali, le analisi al microscopio mostrano diverse morfologie di cricche e modalità di rottura per le diverse sequenze di laminazione. Dai test di impatto a bassa energia risulta che entrambi i materiali non presentano evidenti segni di indentazione o danni superficiali. UHTCMC sembra disperdere l’energia d’impatto attraverso la pseudoplasticità del materiale, mostrando una risposta cedevole. ISIComp© invece mostra un comportamento rigido, con un intervallo ristretto di energie soglia che dividono un impatto senza conseguenze da una completa perdita di resistenza residua. Inoltre, la resistenza all’impatto di ISIComp© mostra la dipendenza dalla sequenza di laminazione.