Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.

El análisis de la dirección integrada de proyectos (project & construction management) en el marco europeo: propuesta de regulación en España y su inclusión en la ley de la ordenación de la edificación

El presente trabajo de Tesis Doctoral surge de la Figura de la Dirección Integrada de Proyecto en Edificación (“Project & Construction Management”) y su analisis de la situación regulatoria en la legislación española. El primer planteamiento fue pensar en la situación actual de esta figura en el contexto internacional, para analizar su repercusión en el sector de la edificación, lo cual me llevo a cabo las siguientes preguntas que he reuelto en esta investigación. ¿ Como surge el ¨Project & Construction Management”? ¿ Cuales son sus actividades, funciones y cometidos? ¿ Existe el ¨Project & Construction Management” en otros países? ¿Hay regulación del ¨Project & Construction Management” en esos paises? ¿Cómo es la regulación del ¨Project & Construction Management”? ¿Existe demanda del ¨Project & Construction Management” en España? ¿Cómo es esa demanda en España, y como se puede cuantificar? ¿Existe regulación del ¨Project & Construction Management” en España? ¿ Como debería ser la regulación del ¨Project & Construction Management” en España? Todas las preguntas anteriores las he ido respondiendo con el presente trabajo, llegando a una serie de respuestas, que están reflejadas en el desarrollo del presente trabajo y que resumo: - EL ¨Project & Construction Management” surge a principios del siglo XX en USA, desarrollándose como una disciplina con metodología propia y extendiéndose por otros países. - EL ¨Project & Construction Management” es una disciplina, basada en una metodología propia con herramientas y técnicas para organizar cualquier 14 proyecto de cualquier tipo, pero en este caso un proyecto de edificación, para lo cual he definido con todo detalle esta figura. - El origen del ¨Project & Construction Management” es anglosajón, concretamente en USA, extendiendose luego al Reino Unido, a Europa (Francia y Alemania), a Asia, a América del Sur y a Oceanía. - En todos los paises estudiados (Estados Unidos, Reino Unido, Francia y Alemania) existe una regulación sobre el ¨Project & Construction Management” que me ha servido de base comparativa para introducirla en España. - Hay muchas empresas en España (Nacionales e Internacionales) que ejercen su actividad dentro de este sector, por lo que para realizar un estudio más profundo, hice una muestra de las 30 empresas más significativas, prepare un cuestionario, dividido en 5 apartados: Organizativo, Sectorial, Cualitativo, Cuantitativo y Profesional para obtener una radiogradía de la situación real del sector, y así valorar cual es la importancia de este agente. - Estudié las posibles regulaciones del ¨Project & Construction Management” en España y no encontré ninguna. - El lugar idóneo para que se regule al ¨Project & Construction Management” es la Ley de Ordenación de la Edificación (LOE), ya que la jurisprudencia (sentencias de los tribunales de justicia españoles) le ha asimilado con los agentes de la LOE y se ha basado para absolver o condenar en la Ley de Ordenación de la Edificación. Por lo que el Objetivo fundamental de esta tesis ha sido regular la figura del ¨Project & Construction Management”, traducirla al Castellano, definirla y realizar una estructura de Agente de la Edificación, según la LOE, para poder introducirla dentro de la Legislación Española, con el objeto de mejorar la calidad de la edificación, proteger al usuario, estableciendo responsabilidades y garantías y proteger al ¨Project & Construction Management” de las responsabilidades solidarias. ABSTRACT This Doctoral Thesis figure emerges from the Integrated Building Project ("Project & Construction Management") and his analysis of the regulatory situation in the Spanish legislation. The first approach was to think of the current situation of this figure in the international context, to analyze its impact on the building sector, which I conducted the following questions that I have met in this research. - How did the “Project & Construction Management "? - What are your activities, functions and duties? - Is there a “Project & Construction Management "in other countries? - Is there regulation “Project & Construction Management "in these countries? - How is regulation of ¨ Project & Construction Management "? - Is there demand “Project & Construction Management "in Spain? - How is that demand in Spain, and as you can quantify? - Is there regulation “Project & Construction Management "in Spain? - How should regulation ¨Project & Construction Management "in Spain? All the above questions have been answered with this study, leading to a series of responses, which are reflected in the development of this study and are summarized: - The ¨ Project & Construction Management "comes early twentieth century in the USA, developed as a discipline with its own methodology and extending other countries. - The ¨ Project & Construction Management "is a discipline based on a metodology own tools and techniques to organize any project of any kind, but in this case a building project, for which I have defined in detail this figure. - The origin of ¨Project & Construction Management "is Anglo-Saxon, particularly in USA, then spreading to the UK, Europe (France and Germany), Asia, South America and Oceania. - In all countries studied (USA, UK, France and Germany) there is a regulation on ¨Project & Construction Management "has helped me to introduce comparative base in Spain. - There are many companies in Spain (National and International) who perform work within this sector, so for further study, I made a sample of the 30 most important companies, prepare a questionnaire, divided into five sections: Organizational , Sector, Qualitative, Quantitative and Professional radiography for a real situation of the sector, and thus assess which is the importance of this agent. - Study the possible regulations ¨Project & Construction Management "in Spain and found none. - The place to be regulated to ¨Project & Construction Management "is the Law of Construction Planning (LOE), as the case law (judgments of the courts Spanish) has assimilated LOE agents and has been based to absolve or condemn Law Construction Planning. So the objective of this thesis has been regular figure ¨ Project & Construction Management ", translated to spanish, define and perform an Agent structure of the Building, as the LOE, to enter into Spanish law, in order to improve the quality of the building, protecting the user, establishing responsibilities and guarantees and protect the ¨ Project & Construction Management "solidarity responsibilities.

Laser Driven Neutron Sources: Characteristics, Applications and Prospects

The basics of laser driven neutron sources, properties and possible applications are discussed. We describe the laser driven nuclear processes which trigger neutron generation, namely, nuclear reactions induced by laser driven ion beam (ion n), thermonuclear fusion by implosion and photo-induced nuclear (gamma n) reactions. Based on their main properties, i.e. point source (<100 μm) and short durations (< ns), different applications are described, such as radiography, time-resolved spectroscopy and pump-probe experiments. Prospects on the development of laser technology suggest that, as higher intensities and higher repetition rate lasers become available (for example, using DPSSL technology), laser driven methodologies may provide neutron fluxes comparable to that achieved by accelerator driven neutron sources in the near future.