Comportamento mecânico de compósitos de fibra de vidro/epoxy nano-reforçados

Abstract

Os materiais compósitos laminados de matriz polimérica têm propriedades vantajosas tendo por isso uma ampla variedade de aplicações. Estes materiais são porém suscetíveis de sofrerem delaminações que podem debilitar consideravelmente as estruturas. Na direção da espessura do laminado as fibras não funcionam como um reforço efetivo, pelo que a resistência entre camadas é sempre menor que a resistência no plano. Neste trabalho estudam-se compósitos de fibra de vidro do tipo E, costurada sob a forma de tecido equilibrado tri-direcional e matriz epoxídica modificada com nano-argila montmorilonita organicamente modificada (OMMT) ou nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). A adição destes nanomateriais pretende melhorar as propriedades interfaciais e assim contribuir para melhorar o comportamento mecânico destes materiais. No fabrico dos compósitos trifásicos foi utilizado o processo de moldagem assistida a vácuo a partir do empilhamento de dez camadas de fibra de vidro previamente impregnadas com resina nano-modificada. Para caracterizar e comparar a Tenacidade à Fratura Interlaminar dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram realizados ensaios de Fratura Interlaminar, com solicitações de carga em Modo I, Modo II e Modo Misto I/II. De uma forma geral a modificação da matriz com nanopartículas resultou numa melhoria da Tenacidade à Fratura Interlaminar independentemente do modo de solicitação. Foi ainda avaliada a influência da nano-argila e do hidro-envelhecimento na Tenacidade à Fratura Interlaminar e no crescimento de fendas subcríticas. Os resultados de descoesão subcrítica, apresentados sob a forma de curvas da/dt versus G, mostraram que o envelhecimento promovido pela água nos compósitos com nano-argila reduz a Tenacidade à Fratura Interlaminar em Modo I. Por outro lado, a dispersão da nano-argila na matriz promove uma diminuição significativa da velocidade de crescimento da fenda subcrítica. Foram ainda observadas as superfícies de Fratura Interlaminar dos compósitos através de microscopia eletrónica e os mecanismos de ruina foram analisados e discutidos. Os efeitos da modificação da matriz com nanopartículas sobre o comportamento à fadiga dos compósitos, fibra de vidro/epóxido foram avaliados através de ensaios realizados com cargas cíclicas a amplitude constante, de tração-tração e de flexão em três pontos. A evolução do dano foi controlada pela variação da flexibilidade e variação de temperatura dos compósitos. Os resultados são apresentados, sob a forma de curvas de gama de tensão versus o número de ciclos até à rotura (Ds-Nf) e razão de fadiga versus número de ciclos até à rotura (Ds/sut versus Nf). De um modo geral a adição de nanopartículas à matriz epoxídica resultou em variações pouco significativas da resistência à fadiga. No entanto a razão de fadiga aumentou com a presença de nano-argila e nanotubos de carbono de parede múltipla na matriz epoxídica sugerindo que ambas as nanopartículas podem agir como barreiras à propagação de fendas por fadiga. Como complemento foi efetuado um estudo numérico, com recurso ao programa de elementos finitos MARC-MENTAT 2013. Foram desenvolvidos modelos numéricos usando elementos de interface coesivos para previsão da delaminação em provetes DCB e MMB de compósitos de fibra de vidro/epóxido, solicitados em Modo I e Modo Misto I/II, respetivamente. Para os provetes DCB as previsões numéricas foram comparadas com resultados experimentais tendo-se observado uma boa concordância em termos de curvas carga-deslocamento e comprimento de fenda-deslocamento. Quanto aos provetes MMB, foram identificados dois estágios de propagação da fenda. Numa primeira fase a velocidade de propagação da fenda é elevada, até se atingir o ponto de aplicação da carga de compressão. Para além do ponto referido a velocidade de propagação da fenda diminui significativamente.

Composite materials with polymeric matrix have advantageous properties having so a great diversity of applications. These materials are however prone to delamination that can significantly weaken the structures. In the thickness direction of the laminate, the fibres do not work as an effective reinforcement, and so that the strength between layers is always lower than the strength in the plane. This work studies glass fibre type E composites, sewn in the form of balanced tri-directional fabric, with epoxy matrix modified with nano-clay organically modified montmorillonite (OMMT) or multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). The inclusion of these nanomaterials aims to strengthen the interfaces of the laminate and thus contribute to improve the mechanical behavior of these materials. Vacuum assisted moulding was used in the manufacture of three-phase composites from the stacking of ten glass fibre layers, preimpregnated with nano-modified resin. To characterize and compare the Interlaminar Fracture Toughness of the glass fibre/epoxy composites, Interlaminar Fracture tests were performed with Mode I, Mode II and Mixed Mode I/II loadings. In general, the modification of the matrix with nanoparticles resulted in an improvement of Interlaminar Fracture Toughness regardless of the loading mode. The influence of the nano-clay and of the ageing in water on Interlaminar Fracture Toughness and subcritical crack growth was also evaluated. The results of subcritical debonding, presented in the form of da/dt versus G curves, showed that aging promoted by water on nano-clay composites reduces the Interlaminar Fracture Toughness in Mode I loading. On the other hand, dispersion of nano-clay in the matrix promoted a significant decrease of subcritical crack growth rate. The surfaces of interlaminar fracture were observed using electron microscopy and the failure mechanisms were analyzed and discussed. The effects of modifying the matrix with nanoparticles on the fatigue behavior of the composites were evaluated through constant amplitude tests, for traction-traction and three point bending loadings. The damage evolution was studied by the analysis of flexibility variation and temperature variation. The results are presented in the form of stress range versus number of cycles to failure (Ds-Nf) and fatigue ratio versus number of cycles to failure (Ds/sut versus Nf). In general, the addition of nanoparticles to the epoxy matrix results in negligible variations of the fatigue resistance. However, the fatigue ratio increased with the presence of nano-clay and carbon nanotubes in the epoxy matrix, suggesting that both nanoparticles can act as barriers to the propagation of fatigue cracks. A numerical study was developed to complement the experimental analysis using the finite element program MARC-Mentat 2013. Numerical models were developed using cohesive interface elements for predicting delamination in DCB and MMB specimens of composite glass fibre/epoxy, loaded in Mode I and Mixed Mode I/II, respectively. The predictions obtained for the DCB specimens were compared with experimental results and a good agreement was observed in terms of load-displacement and crack length-displacement curves. In the MMB specimens two stages of crack propagation were identified. Initially, the rate of crack propagation is relatively high, decreasing significantly beyond the point of application of the compressive load.