Vezelversterkte composieten worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en andere hightech-industrieën. Begrijpen hoe hun microstructuur en de sterkte van de vezel-matrix-interfaces hun faaleigenschappen beïnvloeden, kan leiden tot de productie van sterkere materialen. Een recente studie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign ontwikkelde een model om de gevoeligheden van transversale scheuren te identificeren, een van de belangrijkste faalprocessen in composietlaminaten, op details van de samengestelde microstructuur.

Composietlaminaten die in de ruimtevaart worden gebruikt, zijn meestal gemaakt van lagen koolstofvezels met verschillende oriëntaties ingebed in epoxy. Bijvoorbeeld, het composietlaminaat kan zijn samengesteld uit een koolstof/epoxylaag met de vezels georiënteerd in de richting van 90 graden, ingeklemd tussen twee lagen van 0 graden. De vezels zijn elk ongeveer zeven micron in diameter, of ongeveer een zevende van de dikte van een mensenhaar.

"We weten uit experimenten dat scheuren zich transversaal voortplanten over het 90-graden vlak, stop dan wanneer ze de interfaces met de 0-graden lagen bereiken. Daarom hebben we een methode ontwikkeld waarmee we honderden vezels in een realistisch systeem kunnen simuleren en kunnen bestuderen hoe de storingsrespons wordt beïnvloed als we de locatie van een enkele vezel of van veel vezels veranderen, of de sterkte van de interface, zei Philippe Geubelle, een professor bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

Bij deze nieuwe methode optische microfoto's worden gemaakt van de 90-graden laag en de locatie van alle vezels wordt geëxtraheerd om een ​​realistisch rekenmodel van de laag te construeren. Vergelijkbare studies zijn beperkt tot tientallen vezels.

"Met de speciale eindige-elementenmethode die we hebben ontwikkeld om het dwarsscheuren van de 90-graden laag te simuleren, we kunnen honderden vezels simuleren, " zei Geubelle. "Het meeste dat we tot nu toe hebben gedaan, zijn bijna drie, 000 vezels."

"Omdat de scheur zich voornamelijk voortplant langs de vezel-matrix-interfaces, ons model benadrukt het samenhangende falen van deze interfaces, "zei hij. "Bovendien, we hebben het vermogen ontwikkeld om efficiënt de gevoeligheid van de faalgebeurtenis te extraheren met betrekking tot de eigenschappen van de microstructuur, inclusief de locatie en grootte van de vezels, en de faaleigenschappen van de vezel-matrix-interfaces. We kunnen ook de gevoeligheid van de storingsgebeurtenis berekenen met betrekking tot de parameters (gemiddelde, standaardafwijking, enz.) die de verdeling van deze microstructurele parameters bepalen."

Het model is gevalideerd tegen experimentele waarnemingen die zijn uitgevoerd in de groep van Prof. Nancy Sottos in de afdeling Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Illinois.

"Natuurlijk, je zou deze gevoeligheden experimenteel kunnen krijgen, met alle denkbare variaties, om te zien wat het effect is op de storingsgebeurtenis, "Geubelle zei. "Om dit numeriek te doen is veel efficiënter."

De studie, "Dwars falen van unidirectionele composieten:gevoeligheid voor grensvlakeigenschappen, " Geïntegreerde Computational Materials Engineering .