Development and analysis of all-carbon hybrid unidirectional laminates

Fiber reinforced polymers generally exhibit unfavourable abrupt and brittle failure without sufficient warning and residual integrity, which currently limits their use in safety critical applications. The lack of ductility of such composites can be overcome by interlayer hybridization where Low Strain (LS) material is sandwiched between High Strain (HS) material. Hybridization tends to improve pseudo-plasticity of composites but induces complex failure mechanisms, including multiple interacting damage modes, such as ply fragmentation and delamination. All-carbon unidirectional hybrid laminates with different layup sequences are manufactured to study the pseudo-ductile behaviour. An analytical model was exploited to predict the damage scenarios of the laminates, both with stress-strain diagrams and damage mode maps. Tensile tests were performed using different measurement technologies, including digital image correlation (DIC), fiber optic sensors (FOS) and helicoidal X-ray computed tomography (CT). Numerical finite element models of the laminates were also developed to simulate the damage mechanisms with cohesive elements. After being validated by experimental results, both the analytical and numerical models proved to accurately predict the all-carbon hybrid laminate tensile mechanical behaviour.

I compositi unidirezionali in carbonio e resina epossidica presentano generalmente cedimenti a rottura bruschi e fragili senza sufficiente preavviso e integrità residua. Ciò attualmente ne limita l'utilizzo in certe applicazioni in cui la sicurezza gioca un ruolo fondamentale. La mancanza di duttilità di questi compositi può essere superata con l'ibridazione, in cui il materiale a bassa deformazione viene inserito tra il materiale ad alta deformazione. L'ibridazione tende a migliorare le proprietà del composito, ma induce meccanismi di rottura complessi, tra cui danneggiamenti multipli e interagenti tra loro, come la frammentazione dei vari strati e la delaminazione. Laminati ibridi unidirezionali interamente in carbonio sono stati prodotti con diverse sequenze di stratificazione per studiare il comportamento pseudo-duttile. Un modello analitico è stato sfruttato per prevedere gli scenari di danneggiamento dei laminati, sia con diagrammi sforzo-deformazione che con mappe di modalità di danneggiamento. Le prove di trazione sono state eseguite utilizzando diverse tecnologie di misurazione, tra cui la correlazione digitale dell'immagine (DIC), i sensori a fibra ottica (FOS) e la tomografia computerizzata a raggi X (CT). Sono stati sviluppati modelli numerici a elementi finiti dei laminati per simulare i meccanismi di danneggiamento con elementi coesivi. Dopo essere stati convalidati rispetto ai risultati sperimentali, sia i modelli analitici che quelli numerici hanno dimostrato di prevedere accuratamente il comportamento meccanico a trazione del laminato ibrido.