Experimental characterization and calibration of a damage model for a carbon-carbon composite material used for brakes

I materiali carbon-carbon (CC) fanno parte di una famiglia di materiali compositi caratterizzati da una matrice grafitica e rinforzo in fibra di carbonio. Tale combinazione consente di generare materiali in grado di resistere fino a temperature di 2500°C mantenendo elevata stabilità dimensionale e bassa dilatazione termica. Inoltre, le ottime proprietà tribologiche li rendono una scelta ideale per la realizzazione di dischi freno ad altissime prestazioni, implementati sia in ambito aerospaziale che nell’ambito automobilistico per vetture ad elevate prestazioni. Poiché i freni costituiscono un elemento essenziale per la sicurezza, è di fondamentale importanza essere in grado di prevedere e simulare i vari processi di danneggiamento che potrebbero verificarsi durante l'utilizzo. Pertanto, questo lavoro di tesi è incentrato sulla caratterizzazione meccanica del materiale CC tramite la realizzazione di prove sperimentali e la relativa modellazione numerica. Durante la prima fase del lavoro è stata svolta una campagna sperimentale con l’obiettivo di caratterizzare le proprietà elastiche del materiale nel piano. Per fare ciò, sono stati prodotti due dischi freno caratterizzati da una sequenza di laminazione controllata, differente da quella utilizzata per i prodotti di serie. La seconda fase è invece stata adibita alla modellazione numerica del materiale: sono stati inizialmente tarati i parametri elastici in modo da poter riprodurre la parte lineare del materiale e successivamente è stato calibrato un modello di danneggiamento in grado di replicare la forte risposta non lineare. Sono stati ottimizzati due diversi criteri di danno agenti sulle singole componenti della matrice di rigidezza, ottenendo in entrambi i casi un’ottima correlazione numerico-sperimentale. Successivamente, sono state svolte ulteriori prove sperimentali caratterizzate da configurazioni differenti da quelle utilizzate nella fase di calibrazione del materiale. I modelli numerici sviluppati sono stati in grado di riprodurre in modo soddisfacente il comportamento del materiale anche in queste nuove condizioni, consentendo inoltre di riprodurre fedelmente il cedimento di dischi freno testati al banco.

Carbon-carbon (CC) materials are part of a family of composite materials characterized by a graphite matrix and carbon fiber reinforcement. This combination allows generating materials capable of withstanding temperatures up to 2500°C while maintaining high dimensional stability and low thermal expansion. Moreover, their excellent tribological properties make them an ideal choice for the production of high-performance brake discs, implemented both in aerospace and high-performance automotive applications. As brakes constitute an essential safety component, it is crucial to be able to predict and simulate the various damage processes that may occur during use. Therefore, this thesis work focuses on the mechanical characterization of CC material through experimental testing and corresponding numerical modeling. During the initial phase of the study, an experimental campaign was conducted to characterize the in plane material's elastic properties. To achieve this, two brake discs were produced with a controlled laminate sequence, different from that used for production parts. The second phase was dedicated to numerical modeling of the material: initially, elastic parameters were calibrated to reproduce the material's linear response, followed by calibration of a damage model capable of replicating the strong nonlinear response. Two different damage criteria acting on the individual components of the stiffness matrix were optimized, achieving excellent numerical-experimental correlation in both cases. Subsequently, further experimental tests were conducted with configurations different from those used in the material calibration phase. The developed numerical models were able to satisfactorily reproduce the material behavior even under these new conditions, accurately replicating the failure of brake discs tested on the bench.