The flexural properties of corrugated hybrid composite plates

Abstract

The traditional carbon fibre-reinforced composites offer excellent mechanical properties while having a low density, which makes them an ideal solution for the applications where weight is a major concern. The self-reinforced composites (SRC’s) consist of polymer fibres reinforcing a matrix made from the same material. In fact, it is by partially melting the fibres that the matrix is created. This type of composites provide a high toughness but lack the high stiffness and strength needed in structural applications. Hybrid composites are a combination of at least two types of fibres in a matrix. By hybridizing self-reinforced polypropylene (SRPP) with unidirectional (UD) carbon fibre reinforced polypropylene (CFRPP), it is expected to combine properties of both composite types. The goal is to have a stiff and strong composite while maintaining a high toughness. This thesis aims to understand how the material properties of a hybrid composite influence the flexural properties in a corrugated plate. The flexural properties of hybrid composites have been studied but always in flat surfaces. Also, the low compressive properties of polymer fibres make it difficult to capture the flexural properties. By using this type of surface, the flexural properties should not be as highly dependent on the position of the carbon fibre (CF) laminae in relation to the neutral plane as they are for flat laminates. Experimental work has been performed to understand the dependence of the flexural properties of hybrid composite materials on the carbon fibre volume fraction (Vf) and position. The experimental work was supported by a numerical modelling study. This study established preliminary knowledge needed for further developments of the model. In combination with the experimental work, the limitations of the current model are pointed out. The achievement of a more advanced model in the future, that can predict the behaviour of these hybrid composite materials when subjected to bending, is possible. The main conclusions of this work were that the stiffness of a corrugated hybrid composite plate is not influenced by the position of the UD CFRPP layers. This property only changes with the CF Vf. The maximum flexural load and displacement at this point are also influenced by the CF content and by the thickness of the UD CFRPP layers. The other work we ever did together. Without the experience of working with him, there would be a lot of things I would not have learned. To Carlos Lavoura and José Canhola, my mentors in my rowing experience. They were the ones who guided me throughout ten years of rowing, making me a better athlete and a better person. For giving me the will to never give up on my goals and dreams, thank you.

Os tradicionais materiais compósitos reforçados com fibras de carbono oferecem excelentes propriedades mecânicas enquanto mantêm uma baixa densidade, o que faz deles uma solução ideal para aplicações nas quais o peso é um fator a considerar. Os materiais compósitos auto-reforçados consistem em fibras poliméricas que reforçam uma matriz do mesmo material. De fato, é ao fundir parcialmente as fibras que se obtém a matriz. Este tipo de materiais compósitos proporciona uma elevada tenacidade mas não tem a alta rigidez e resistência mecânica necessária em aplicações estruturais. Os materiais compósitos híbridos resultam da combinação de dois tipos de fibras numa matriz. Ao hibridizar polipropileno auto-reforçado com polipropileno reforçado com fibras de carbono unidirecionais, é esperada a combinação das propriedades dos dois tipos de compósitos. O objetivo é que se tenha um compósito rígido e resistente enquanto se mantém uma alta tenacidade. Esta dissertação tem como objetivo a compreensão de como as propriedades materiais de um compósito híbrido influenciam as propriedades à flexão numa placa enrugada. As propriedades à flexão de compósitos híbridos já foram estudadas, mas sempre em superfícies planas. Além disso, as fracas propriedades compressivas das fibras poliméricas tornam difícil capturar as propriedades à flexão destas. Ao usar este tipo de superfície, as propriedades à flexão não deverão ser tão dependentes da posição das camadas de fibras de carbono em relação ao plano neutro como se verifica para laminados. O trabalho experimental foi realizado para entender a dependência das propriedades à flexão de um material compósito híbrido com a variação da fração volúmica e posição das fibras de carbono. O trabalho experimental foi suportado por um estudo de modelação numérica. Este estudo estabeleceu conhecimentos preliminares necessários para desenvolvimentos futuros do modelo. Em combinação com o trabalho experimental, as limitações do modelo atual são enunciadas. O desenvolvimento de um modelo mais avançado no futuro, que possa prever o comportamento destes materiais compósitos híbridos quando sujeitos a flexão, é possível. As principais conclusões deste trabalho são que a rigidez dos compósitos híbridos em placas enrugadas não é influenciada pela posição das camadas de fibras de carbono. Esta propriedade apenas varia com a fração volúmica de fibras de carbono. A carga de flexão máxima e deslocamento também são influenciados pelo conteúdo de fibras de carbono e pela espessura das camadas de fibras de carbono unidirecionais. O trabalho de modelação confirmou o comportamento da rigidez mas o modelo não é capaz de prever as outras propriedades. Ainda é possivel fazer um grande desenvolvimento do modelo.