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.

New inorganic nanotube polymer nanocomposites: Improved thermal, mechanical and tribological properties in isotactic polypropylene incorporating INT-MoS2.

Environmentally friendly molybdenum disulfide (INT-MoS2) inorganic nanotubes were introduced into an isotactic polypropylene (iPP) polymer matrix to generate novel nanocomposite materials through an advantageous melt-processing route. The effects of INT-MoS2 content on the thermal, mechanical and tribological properties were investigated. The incorporation of INT-MoS2 generates notable performance enhancements through reinforcement effects, highly efficient nucleation activity and excellent lubricating ability in comparison with other nanoparticle fillers such as nanoclays, carbon nanotubes, silicon nitrides and halloysite nanotubes. It was shown that these INT-MoS2 nanocomposites can provide an effective balance between performance, cost effectiveness and processability, and should be of some interest in the area of multifunctional polymer nanocomposite materials.

Opportunities and challenges in the use of inorganic fullerene-like nanoparticles to produce advanced polymer nanocomposites

Polymer/inorganic nanoparticle nanocomposites have garnered considerable academic and industrial interest over recent decades in the development of advanced materials for a wide range of applications. In this respect, the dispersion of so-called inorganic fullerene-like (IF) nanoparticles, e.g., tungsten disulfide (IF-WS2) or molybdenum disulfide (IF-MoS2), into polymeric matrices is emerging as a new strategy. The surprising properties of these layered metal dichalcogenides such as high impact resistance and superior tribological behavior, attributed to their nanoscale size and hollow quasi-spherical shape, open up a wide variety of opportunities for applications of these inorganic compounds. The present work presents a detailed overview on research in the area of IF-based polymer nanocomposites, with special emphasis on the use of IF-WS2 nanoparticles as environmentally friendly reinforcing fillers. The incorporation of IF particles has been shown to be efficient for improving thermal, mechanical and tribological properties of various thermoplastic polymers, such as polypropylene, nylon-6, poly(phenylene sulfide), poly(ether ether ketone), where nanocomposites were fabricated by simple melt-processing routes without the need for modifiers or surfactants. This new family of nanocomposites exhibits similar or enhanced performance when compared with nanocomposites that incorporate carbon nanotubes, carbon nanofibers or nanoclays, but are substantially more cost-effective, efficient and environmentally satisfactory. Most recently, innovative approaches have been described that exploit synergistic effects to produce new materials with enhanced properties, including the combined use of micro- and nanoparticles such as IF-WS2/nucleating agent or IF-WS2/carbon fiber, as well as dual nanoparticle systems such as SWCNT/IF-WS2 where each nanoparticle has different characteristics. The structure–property relationships of these nanocomposites are discussed and potential applications proposed ranging from medicine to the aerospace, automotive and electronics industries.

Hierarchical and hybrid polymer nanocomposites based on carbon nanotubes and inorganic fullerene type nanoparticles

The influence of singlewalled carbon nanotubes (SWCNT) and inorganic fullerenelike tungsten disulfide nanoparticles (IFWS2) on the morphology and thermal, mechanical and electrical performance of multifunctional fibrereinforced polymer composites has been investigated. Significant improvements were observed in stiffness, strength and toughness in poly (ether ether ketone) (PEEK) / (SWCNT) / glass fibre (GF) laminates when a compatibilizer was used for wrapping the CNTs. Hybrid poly(phenylene sulphide) (PPS)/IFWS2/ carbon fibre (CF) reinforced polymer composites showed improved mechanical and tribological properties attributed to a synergetic effect between the IF nanoparticles and CF.

Thermoplastic Polymer Nanocomposites Based on Inorganic Fullerene-like Nanoparticles and Inorganic Nanotubes

Using inorganic fullerene-like (IF) nanoparticles and inorganic nanotubes (INT) in organic-inorganic hybrid composite, materials provide the potential for improving thermal, mechanical, and tribological properties of conventional composites. The processing of such high-performance hybrid thermoplastic polymer nanocomposites is achieved via melt-blending without the aid of any modifier or compatibilizing agent. The incorporation of small quantities (0.1-4 wt.%) of IF/INTs (tungsten disulfide, IF-WS2 or molybdenum disulfide, MoS2) generates notable performance enhancements through reinforcement effects and excellent lubricating ability in comparison with promising carbon nanotubes or other inorganic nanoscale fillers. It was shown that these IF/INT nanocomposites can provide an effective balance between performance, cost effectiveness, and processability, which is of significant importance for extending the practical applications of diverse hierarchical thermoplastic-based composites.

Polymer interaction with macroscopic carbon nanotube fibres and fabrication of nanostructured composites

El ensamblado de nanotubos de carbono (CNT) como una fibra macroscópica en la cual están orientados preferentemente paralelos entre sí y al eje de la fibra, ha dado como resultado un nuevo tipo de fibra de altas prestaciones derivadas de la explotación eficiente de las propiedades axiales de los CNTs, y que tiene un gran número de aplicaciones potenciales. Fibras continuas de CNTs se produjeron en el Instituto IMDEA Materiales mediante el proceso de hilado directo durante la reacción de síntesis por deposición química de vapores. Uno de los objetivos de esta tesis es el estudio de la estructura de estas fibras mediante técnicas del estado del arte de difracción de rayos X de sincrotrón y la elaboración de un modelo estructural de dicho material. Mediciones texturales de adsorción de gases, análisis de micrografías de electrones y dispersión de rayos X de ángulo alto y bajo (WAXS/SAXS) indican que el material tiene una estructura mesoporosa con una distribución de tamaño de poros ancha derivada del amplio rango de separaciones entre manojos de CNTs, así como una superficie específica de 170m2/g. Los valores de dimensión fractal obtenidos mediante SAXS y análisis Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de mediciones texturales coinciden en 2.4 y 2.5, respectivamente, resaltando el carácter de red de la estructura de dichas fibras. La estructura mesoporosa y tipo hilo de las fibra de CNT es accesible a la infiltración de moléculas externas (líquidos o polímeros). En este trabajo se estudian los cambios en la estructura multiescala de las fibras de CNTs al interactuar con líquidos y polímeros. Los efectos de la densificación en la estructura de fibras secas de CNT son estudiados mediante WAXS/SAXS. El tratamiento de densificación junta los manojos de la fibra (los poros disminuyen de tamaño), resultando en un incremento de la densidad de la fibra. Sin embargo, los dominios estructurales correspondientes a la transferencia de esfuerzo mecánica y carga eléctrica en los nanotubos no son afectados durante este proceso de densificación; como consecuencia no se produce un efecto sustancial en las propiedades mecánicas y eléctricas. Mediciones de SAXS and fibra de CNT antes y después de infiltración de líquidos confirman la penetración de una gran cantidad de líquidos que llena los poros internos de la fibra pero no se intercalan entre capas de nanotubos adyacentes. La infiltración de cadenas poliméricas de bajo peso molecular tiende a expandir los manojos en la fibra e incrementar el ángulo de apertura de los poros. Los resultados de SAXS indican que la estructura interna de la fibra en términos de la organización de las capas de tubos y su orientación no es afectada cuando las muestras consisten en fibras infiltradas con polímeros de alto peso molecular. La cristalización de varios polímeros semicristalinos es acelerada por la presencia de fibras de CNTs alineados y produce el crecimiento de una capa transcristalina normal a la superficie de la fibra. Esto es observado directamente mediante microscopía óptica polarizada, y detectado mediante calorimetría DSC. Las lamelas en la capa transcristalina tienen orientación de la cadena polimérica paralela a la fibra y por lo tanto a los nanotubos, de acuerdo con los patrones de WAXS. Esta orientación preferencial se sugiere como parte de la fuerza impulsora en la nucleación. La nucleación del dominio cristalino polimérico en la superficie de los CNT no es epitaxial. Ocurre sin haber correspondencia entre las estructuras cristalinas del polímero y los nanotubos. Estas observaciones contribuyen a la compresión del fenómeno de nucleación en CNTs y otros nanocarbonos, y sientan las bases para el desarrollo de composites poliméricos de gran escala basados en fibra larga de CNTs alineados. ABSTRACT The assembly of carbon nanotubes into a macroscopic fibre material where they are preferentially aligned parallel to each other and to the fibre axis has resulted in a new class of high-performance fibres, which efficiently exploits the axial properties of the building blocks and has numerous applications. Long, continuous CNT fibres were produced in IMDEA Materials Institute by direct fibre spinning from a chemical vapour deposition reaction. These fibres have a complex hierarchical structure covering multiple length scales. One objective of this thesis is to reveal this structure by means of state-of-the-art techniques such as synchrotron X-ray diffraction, and to build a model to link the fibre structural elements. Texture and gas absorption measurements, using electron microscopy, wide angle and small angle X-ray scattering (WAXS/SAXS), and pore size distribution analysis by Barrett-Joyner-Halenda (BJH), indicate that the material has a mesoporous structure with a wide pore size distribution arising from the range of fibre bundle separation, and a high surface area _170m2/g. Fractal dimension values of 2.4_2.5 obtained from the SAXS and BJH measurements highlight the network structure of the fibre. Mesoporous and yarn-like structure of CNT fibres make them accessible to the infiltration of foreign molecules (liquid or polymer). This work studies multiscale structural changes when CNT fibres interact with liquids and polymers. The effects of densification on the structure of dry CNT fibres were measured by WAXS/SAXS. The densification treatment brings the fibre bundles closer (pores become smaller), leading to an increase in fibre density. However, structural domains made of the load and charge carrying nanotubes are not affected; consequently, it has no substantial effect on mechanical and electrical properties. SAXS measurements on the CNT fibres before and after liquid infiltration imply that most liquids are able to fill the internal pores but not to intercalate between nanotubes. Successful infiltration of low molecular weight polymer chains tends to expand the fibre bundles and increases the pore-opening angle. SAXS results indicate that the inner structure of the fibre, in terms of the nanotube layer arrangement and the fibre alignment, are not largely affected when infiltrated with polymers of relatively high molecular weight. The crystallisation of a variety of semicrystalline polymers is accelerated by the presence of aligned fibres of CNTs and results in the growth of a transcrystalline layer perpendicular to the fibre surface. This can be observed directly under polarised optical microscope, and detected by the exothermic peaks during differential scanning calorimetry. The discussion on the driving forces for the enhanced nucleation points out the preferential chain orientation of polymer lamella with the chain axis parallel to the fibre and thus to the nanotubes, which is confirmed by two-dimensional WAXS patterns. A non-epitaxial polymer crystal growth habit at the CNT-polymer interface is proposed, which is independent of lattice matching between the polymer and nanotubes. These findings contribute to the discussion on polymer nucleation on CNTs and other nanocarbons, and their implication for the development of large polymer composites based on long and aligned fibres of CNTs.