Mechanical behaviour of carbon fiber composite laminates at varying manufacturing conditions and fibers properties

The use of carbon fibers reinforced polymers in the marine industry offers great advantages due to their high mechanical properties to weight ratio. Structures like daggerboards and keels are subjected to high stress levels; therefore existing defects, like delaminations, can propagate during service and lead to component failure Mechanical characterization of carbon fiber composites has been carried out outlining the effect of manufacturing technology and fiber properties on the material behaviour; two types of toughened epoxy resin, one plain and one filled with silica nanoparticles, both reinforced with high-strength carbon fibers, have been used to produce laminates starting from prepregs. Another set of laminates was produced by wet layup using a toughened epoxy resin mixed with three different hardeners and reinforced with high modulus carbon fibers. High strength materials and high modulus ones have been studied for the manufacturing of two different structures. Tests were carried out to measure the elastic properties of the materials and their strength under different loading condition (tension, compression, shear) and to determine their mode I interlaminar fracture toughness. High modulus materials show higher stiffness and lower strength with respect to high strength materials. Matrix and manufacturing technology effects have been observed on mode I fracture toughness values: nanofilled epoxy laminates have very low fracture toughness respect to plain resins. Materials produced by wet layup technology present high data dispersion due to the intrinsic variability of this manufacturing process. Fractographic analysis shows void presence and non homogeneous matrix distribution for these materials. Due to high data dispersion, a statistical approach for mode I interlaminar fracture toughness data reduction has been used to calculate the B-basis value for initiation and propagation interlaminar fracture toughness. Conservative values are obtained when data dispersion is high since the B-basis value decreases with uncertainty of property value increase.

Nel settore nautico l’uso di materiali compositi è vantaggioso a causa delle loro elevate proprietà specifiche. Componenti, come derive e daggerboard, sono soggetti a grandi sollecitazioni meccaniche; difetti come le delaminazioni possono propagare durante la vita di servizio portandoli a cedimento. È stata eseguita una caratterizzazione meccanica su materiali compositi rinforzati con fibre di carbonio, evidenziando l’effetto della tecnologia di produzione e delle proprietà delle fibre; due resine epossidiche, una tenacizzata e una tenacizzata e caricata con nanoparticelle di silice, sono state usate come matrici per due sistemi pre-impregnati aventi come rinforzo fibre di carbonio ad alta resistenza. Una seconda serie di laminati è stata realizzata per impregnazione manuale di fibre di carbonio ad alto modulo con resina epossidica tenacizzata. Questi materiali sono stati studiati per la realizzazione di due componenti differenti. Sono state condotte delle prove meccaniche per determinare le proprietà elastiche di questi materiali e la loro resistenza quando sottoposti a diverse condizioni di carico (trazione, compressione, taglio) e per valutare la loro tenacità a frattura interlaminare in modo I. I materiali ad alto modulo presentano una maggiore rigidezza e minore resistenza rispetto a quelli ad alta resistenza. L’influenza della tecnologia di produzione e della matrice è stata analizzata considerando la tenacità a frattura interlaminare in modo I: i materiali nanocaricati presentano valori di tenacità estremamente inferiori rispetto a quelli non caricati. I dati ottenuti dai materiali realizzati per impregnazione manuale sono molto dispersi a causa dell’inaccuratezza di questo metodo. Le analisi frattografiche hanno mostrato la presenza di vuoti e la matrice non è distribuita in modo omogeneo. A causa della grande dispersione dei dati, è stato utilizzato un approccio statistico per calcolare l’ammissibile in base B rispetto ai valori d’innesco e propagazione della tenacità interlaminare in modo I. Il valore dell’ammissibile decresce all’aumentare dell’incertezza sul valore medio di una proprietà; gli ammissibili calcolati sono quindi molto conservativi.