Interlaminar characterization of ceramic composite materials for reusable space vehicles

Reusable spacecraft necessitate the creation of hot structures operating at extremely high temperatures during re-entry stages of missions. Furthermore, structures need to maintain a sufficient level of strength when faced with potential damage from various sources like thermal shocks, oxidation, and low-energy impacts. Ceramic Matrix Composites (CMC) are leading the way in creating dependable lightweight structures for high temperature situations because of their exceptional resistance to high temperatures and thermal shocks. The focus of this study is the interlaminar characterization of CMCs with a focus on the homogeneous C/SiC composite (ISiComp©) for reusable space vehicles. Non-linear analyses were performed with the aim of evaluating the design of specimens and evaluate the ultimate strength and fracture toughness of the material by modelling Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexural (ENF) tests. These analyses were based a Cohesive Zone Model to model interlaminar damage. Further investigation was done to evaluate the shear strength through a Short Beam Test (SBT) approach. In order to validate the numerical models employed, the results obtained from the numerical simulations are analysed along with the experimental ones from the DCB, ENF and SBT tests. The numerical results show a good correlation with the experimental ones for the force vs. displacement slopes.

I veicoli spaziali riutilizzabili richiedono l’utilizzo di strutture che operino a temperature estremamente elevate durante le fasi di rientro delle missioni. Inoltre, esse devono anche essere in grado di mantenere un sufficiente livello di resistenza durante il loro normale utilizzo, ad esempio quando devono resistere a potenziali danni derivanti da fonti di varia natura, come shock termici, ossidazione e impatti a bassa energia. I Compositi a Matrice Ceramica (CMC) stanno guidando l'innovazione nella creazione di strutture leggere e affidabili nell’ambito delle alte temperature, grazie alla loro eccezionale resistenza termica e agli shock termici in genere. L'obiettivo di questo studio è la caratterizzazione interlaminare dei CMC, con particolare attenzione al composito unidirezionale C/SiC (ISiComp©️) per veicoli spaziali riutilizzabili. Per raggiungere lo scopo, sono state condotte analisi non lineari con l'obiettivo di valutare lo stato iniziale (di progetto) dei provini e per determinare la resistenza ultima, nonché la tenacità a frattura del materiale attraverso la modellazione dei test Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexural (ENF). Queste analisi si sono basate su un modello a zona coesiva per modellare il danno interlaminare. Ulteriori indagini sono state effettuate per valutare la resistenza al taglio attraverso un approccio di test a trave corta (Short Beam Test, SBT). Al fine di validare i modelli numerici utilizzati, i risultati ottenuti dalle simulazioni numeriche sono stati analizzati insieme a quelli sperimentali dei test DCB, ENF e SBT. I risultati numerici mostrano una buona correlazione con quelli sperimentali per le curve forza-spostamento.