Thermochemical and mechanical behaviour of carbon fibre reinforced composite laminates subjected to manufacturing induced cure deviations

Autoclave cure interruptions represent a critical manufacturing risk for aerospace composite structures. This thesis investigates the impact of an unplanned cure interruption on the thermochemical state and mechanical performance of an aerospace-grade Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) woven prepreg (Toray TC250/M46J 2×2 twill). Two laminate batches were examined: a Baseline Cure (BC) and a Deviated Cure (DC). BC followed the manufacturer’s recommended cure cycle; DC was subjected to an interruption during the 130 ◦C hold followed by a restart of the recommended cure cycle several days later. The study assesses these cure states by comparing their performance with the aerospace service temperature range (−50 ◦C to +150 ◦C) and the minimum material allowables set by the material Technical Process Specification (TPS). The study combined thermochemical and thermomechanical indicators (DSC, TMA, DMA) with mechanical tests (compression, impact, Compression After Impact (CAI)). The results showed that DC suffered substantial undercure (DoC ≈ 86%) compared to BC (DoC ≈ 98%). Consequently, DC exhibited a depressed Tg (140 ◦C) compared to BC (180 ◦C), failing the TPS minimum requirement of 175 ◦C. The TMA for DC revealed a high through-thickness coefficient of thermal expansion (up to 204.4 × 10−6 ◦C−1) and increased scatter, indicating chemical and structural heterogeneity. The determination of the constituent content excluded major differences in fibre/resin fraction between batches. Mechanically, room temperature compression properties remained stable for both batches, meeting TPS minimums despite increased scatter in DC. At 120 ◦C, the DC batch showed marked reductions in compressive strength and failure modes consistent with matrix softening. Impact testing revealed a typical residual strength decay. Although CAI performance was similar at 9.5 J, DC performance dropped by 13% at 18 J. Furthermore, the high temperature CAI for DC was 10–20% lower than the room temperature values.

Le interruzioni del ciclo di cura in autoclave rappresentano un rischio produttivo critico per le strutture aerospaziali in materiale composito. Questa tesi analizza l’impatto di un’interruzione non pianificata nel ciclo di cura sullo stato termochimico e sulle prestazioni meccaniche di un prepreg tessuto in CFRP di grado aerospaziale (Toray TC250/M46J 2×2 twill). Sono stati confrontati due lotti: un Baseline Cure (BC), prodotto secondo il ciclo raccomandato, e un Deviated Cure (DC), interrotto durante il mantenimento a 130 ◦C e riavviato secondo il ciclo raccomandato dopo alcuni giorni. Lo studio valuta tali stati rispetto ai requisiti operativi aerospaziali (da −50 ◦C a +150 ◦C) e ai valori minimi ammissibili definiti dalla Specifica Tecnica di Processo (TPS) del materiale. L’indagine ha combinato indicatori termochimici e termomeccanici (DSC, TMA, DMA) con prove meccaniche (compressione, impatto e compressione dopo impatto (CAI)). I risultati indicano per il lotto DC una marcata sottopolimerizzazione (DoC ≈ 86%) rispetto a BC (DoC ≈ 98%). Di conseguenza, DC ha mostrato una Tg ridotta (140 ◦C) rispetto a BC (180 ◦C), fallendo il requisito minimo TPS di 175 ◦C. La TMA ha rivelato per DC un elevato coefficiente di espansione termica in direzione trasversale (fino a 204.4× 10−6 ◦C−1) e maggiore dispersione, segnali di eterogeneità chimica e strutturale. Meccanicamente, le proprietà di compressione a temperatura ambiente sono rimaste stabili per entrambi i lotti, soddisfacendo i requisiti minimi delle TPS nonostante la maggiore dispersione in DC. Tuttavia, a 120 ◦C, il lotto DC ha mostrato riduzioni significative della resistenza e modalità di frattura coerenti con l’ammorbidimento della matrice. Le prove a CAI hanno evidenziato prestazioni simili a Ei = 9.5 J, ma una riduzione del 13% per DC a Ei = 18 J. Inoltre, la resistenza CAI ad alta temperatura per DC è risultata inferiore del 10–20% rispetto ai valori a temperatura ambiente.