Mechanical characterization and modeling of a novel continuous glass fibers - polydimethylsiloxane soft composite : from material preparation to load coupling effects

This work is a study of the mechanical behavior of a continuous glass fibers - polydimethylsiloxane soft composite. The combination of properly oriented stiff fibers and a highly deformable elastomer leads to the production of laminates that can exhibit an extremely high level of anisotropy and quite large deformation at break. These properties significantly differ from those of traditional rigid matrix composites and can be exploited in many fields such as soft robotics and biomimetic applications. The work starts from the study of the polydimethylsiloxane crosslinking, which knowledge is fundamental to properly impregnate the fibers and control the final properties of the elastomer. The polydimethylsiloxane crosslinking kinetics is studied by comparing a calorimetric approach to a rheological one. The kinetic model obtained allowed, on one hand, to predict the processability window for fibers impregnation and, on the other, to estimate the curing conditions for matrix crosslinking. Furthermore, the influence of the thermal history applied during crosslinking on the final properties of the elastomer is showed. The methods developed for the production of the laminates are described, and the relevant critical aspects discussed. A traditional approach, based on the study of the behavior of unidirectional laminae is then employed to characterize the laminate. Quasi-static tensile tests on unidirectional and symmetric-balanced laminates are performed to evaluate the four independent elastic constants necessary to describe the behavior of a lamina at small strains and micromechanical models are proposed to predict the elastic constants varying the fiber volume fraction. The results are compared with those of typical traditional rigid matrix composites, and the differences are discussed. The peculiar strongly non-linear behavior of symmetric-balanced laminates up to large strain is then studied. Finally, the response of antisymmetric laminates to a uniaxial load is investigated, and a large extension-twisting coupling is showed and compared with the predictions of classical lamination theory and simple finite element simulations. This work can be considered a solid foundation for the characterization of the behavior of fiber-reinforced elastomers and support the study of more complex models for predicting their behavior.

Questo lavoro è uno studio del comportamento meccanico di un composito a di fibre di vetro continue e polidimetilsilossano. La combinazione di fibre rigide opportunamente orientate e di un elastomero altamente deformabile porta alla produzione di laminati che possono presentare un livello di anisotropia estremamente elevato e una deformazione a rottura piuttosto ampia. Queste proprietà differiscono significativamente da quelle dei tradizionali compositi a matrice rigida e possono essere sfruttate in molti campi, come la robotica flessibile e le applicazioni biomimetiche. Il lavoro parte dallo studio della reticolazione del polidimetilsilossano, la cui conoscenza è fondamentale per impregnare correttamente le fibre e controllare le proprietà finali dell'elastomero. La cinetica di reticolazione del polidimetilsilossano è stata studiata confrontando un approccio calorimetrico con uno reologico. Il modello cinetico ottenuto ha permesso da un lato di prevedere la finestra di processabilità per l'impregnazione delle fibre e dall'altro di stimare le condizioni di polimerizzazione per la reticolazione della matrice. Inoltre, è stata mostrata l'influenza della storia termica applicata durante la reticolazione sulle proprietà finali dell'elastomero. Vengono descritti i metodi sviluppati per la produzione dei laminati e vengono discussi gli aspetti critici rilevanti. Un approccio tradizionale, basato sullo studio del comportamento di lamine unidirezionali, è poi impiegato per caratterizzare il laminato. Vengono eseguite prove di trazione quasi statiche su laminati unidirezionali e simmetrico-bilanciati per valutare le quattro costanti elastiche indipendenti necessarie a descrivere il comportamento di una lamina a piccole deformazioni e vengono proposti modelli micromeccanici per prevedere le costanti elastiche al variare della frazione in volume di fibre. I risultati sono confrontati con quelli dei tipici compositi tradizionali a matrice rigida e le differenze sono discusse. Viene poi studiato il particolare comportamento fortemente non lineare dei laminati simmetrico-bilanciati fino a grandi deformazioni. Infine, viene studiata la risposta dei laminati antisimmetrici a un carico uniassiale e mostrato un forte accoppiamento estensione-torsione che viene confrontato con le previsioni della teoria classica della laminazione e di semplici simulazioni agli elementi finiti. Questo lavoro può essere considerato una solida base per la caratterizzazione del comportamento di elastomeri fibro-rinforzati e supportare lo studio di modelli più complessi per la previsione del loro comportamento.