Tensile and delamination behavior of unidirectional all-carbon hybrid laminates

In recent years, the demand for lightweight high-performance materials has significantly grown, especially in industries like automotive, aerospace and wind energy. Fiber-reinforced composite laminates have gained popularity due to their stiffness, high strength to weight ratio and low density. Despite these advantages, their limited toughness and ductility represents a challenge for use in critical structural applications. One effective method to enhance their toughness is fiber hybridization, which involves blending fibers with varying mechanical characteristics. This strategy has proven beneficial in introducing pseudo-ductile behavior. The hybrid structure helps to delay catastrophic failure, absorb more energy and boost the structural reliability. Additionally, such architectures influence crack propagation and alter stress distribution within the material. This thesis explores the mechanical behavior of unidirectional all-carbon hybrid laminates. These materials were subjected to tensile loading, as well as fracture toughness tests in mode I and mode II. The experimental results were then compared with predictive analytical models to understand the damage mechanisms and assess the accuracy of the predictions.

Negli ultimi anni, la domanda di materiali leggeri e ad alte prestazioni è cresciuta in modo rilevante, in particolare nei settori dell’automotive e dell’energia eolica. I laminati compositi rinforzati con fibre si sono affermati grazie alle loro eccellenti proprietà, tra cui elevata rigidezza, ottimo rapporto resistenza/peso e bassa densità. Tuttavia, la loro limitata tenacità e duttilità costituisce ancora un ostacolo all’impiego in applicazioni strutturali critiche. Un approccio efficace per incrementare la tenacità dei compositi è rappresentato dall’ibridazione delle fibre, ovvero la combinazione di fibre con caratteristiche meccaniche differenti. Questa strategia si è dimostrata particolarmente utile per migliorare la resistenza a fatica e introdurre un comportamento pseudo-duttile nei laminati. Le strutture ibride, infatti, permettono di ritardare la rottura fragile, aumentare l’energia assorbita durante la frattura e migliorare l’affidabilità del componente. Inoltre, l’architettura del laminato influisce in modo significativo sulla propagazione delle cricche e sulla distribuzione degli sforzi interni. La presente tesi ha l’obiettivo di studiare la progettazione e la caratterizzazione meccanica di laminati ibridi unidirezionali realizzati interamente in fibra di carbonio. I materiali sono stati sottoposti a prove di trazione e a test di delaminazione in modalità I e II. I risultati sperimentali sono stati infine confrontati con modelli analitici, al fine di approfondire i meccanismi di danneggiamento e valutare l’affidabilità delle previsioni teoriche.