Parametric analysis of different compact tension specimens for fracture toughness characterisation in woven composite materials

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Imperial College London, entre juliol i novembre de 2006. En aquest treball s’ha investigat la geometria més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. L’objectiu és assegurar la propagació de l’esquerda sense que la proveta falli abans per cap altre mecanisme de dany per tal de permetre la caracterització experimental de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. Amb aquesta fi, s’ha dut a terme l’anàlisi paramètrica de diferents tipus de provetes mitjançant el mètode dels elements finits (FE) combinat amb la virtual crack closure technique (VCCT). Les geometries de les provetes analitzades corresponen a la proveta de l’assaig compact tension (CT) i diferents variacions com la extended compact tension (ECT), la proveta widened compact tension (WCT), tapered compact tension (TCT) i doubly-tapered compact tension (2TCT). Com a resultat d’aquestes anàlisis s’han derivat diferents conclusions per obtenir la geometria de proveta més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. A més, també s’han dut a terme una sèrie d’assaigs experimentals per tal de validar els resultats de les anàlisis paramètriques. La concordança trobada entre els resultats numèrics i experimentals és bona tot i la presència d’efectes no previstos durant els assaigs experimentals.

An Interface Damage Model for the Simulation of Delamination Under Variable-Mode Ratio in Composite Materials

A thermodynamically consistent damage model for the simulation of progressive delamination under variable mode ratio is presented. The model is formulated in the context of the Damage Mechanics. The constitutive equation that results from the definition of the free energy as a function of a damage variable is used to model the initiation and propagation of delamination. A new delamination initiation criterion is developed to assure that the formulation can account for changes in the loading mode in a thermodynamically consistent way. The formulation proposed accounts for crack closure effets avoiding interfacial penetration of two adjacent layers aftercomplete decohesion. The model is implemented in a finite element formulation. The numerical predictions given by the model are compared with experimental results

Materials nanocomposits a partir de whiskers de cel•lulosa i matriu polimèrica de cautxú

De acuerdo con los objetivos generales del proyecto y plan de trabajo previsto, para esta anualidad, se obtuvieron fibras y microfibras de celulosa a partir de dos fuentes: celulosa vegetal de pino y eucalipto y celulosa bacterial. Las microfibrillas han sido utilizadas como material de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos a partir de caucho natural, policaprolactona y polivinil alcohol. Las muestras se fabricaron mediante la técnica de "casting" en medio acuoso y temperatura ambiente. Las muestras fueron caracterizados en sus propiedades mecánicas, físicas y térmicas. Se observó que, en general, la adición de las microfibrillas de celulosa en las matrices poliméricas provoca una mejora sustancial en las propiedades mecánicas del material en comparación con el polímero sin reforzar. Los resultados pueden resumirse de la siguiente manera: 1.Fabricación de materiales compuestos a base de caucho natural y fibras de celulosa. Se obtuvieron fibras y nanofibras de celulosa que fueron modificadas químicamente y usadas como refuerzo en matriz de caucho. Los resultados mostraron mejora de propiedades mecánicas del material, principalmente en los materiales compuestos reforzados con nanofibras. 2. Obtención de whiskers de celulosa y su utilización como material de refuerzo en una matriz de policaprolactona. Se obtuvieron whiskers de celulosa a partir de pasta blanqueada. La adición en una matriz de policaprolactona produjo materiales compuestos con propiedades mecánicas superiores a la matriz, con buena dispersión de los whiskers. 3. Obtención de fibras de celulosa bacterial y nanofibras de celulosa, aislamiento y utilización sobre una matriz de polivinil alcohol. Se obtuvo celulosa bacterial a partir de la bacteria Gluconacetobacter xylinum. Además se fabricaron nanofibras de celulosa a partir eucalipto blanqueado. La celulosa bacterial como material de refuerzo no produjo importantes mejoras en las propiedades mecánicas de la matriz; en cambio se observaron mejoras destacables con la nanofibra como refuerzo.

Autoclau pel processament de materials compòsits

Disseny d’un autoclau pel processat de materials compòsits, seguint les especificacions de disseny següents: Diàmetre interior útil: 1500mm, Longitud interior útil 3500mm, Pressió de treball: 12 bars, Temperatura de treball: 250º. A més a més, el sistema ha de disposar en el seu interior de connexions per fer el buit i s’ha d’assegurar l’homogeneïtat tèrmica recirculant l’aire durant el procés

Microfiltración en restauraciones clase II de composite fotopolimerizadas a través de un cono transparente

Estudios clínicos han demostrado la existencia de importantes problemas cuando el composite es utilizado en restauraciones posteriores. Dentro de ellos cabe destacar la contracción del material y la microfiltración. Una adecuada fotopolimerización de la resina influye positivamente en el resultado final de la restauración. La utilización de un cono transparente de plástico ha sido sugerido por algunos autores como un procedimiento para mejorar la fotopolimerización de la resina a nivel del área gingival en las restauraciones clase II de composite, lográndose un aumento en la dureza y nivel de conversión del material, así como una disminución de la brecha entre la restauración y las paredes cavitarias a ese nivel. En el presente trabajo se investigaron los efectos de la utilización del cono transparente propuesto por Ericson en 1987, en la fotopolimerización de la resina y sus consecuencias en la microfiltración. Los resultados mostraron una leve tendencia a la disminución de la microfiltración en el área cervical de las restauraciones clase II cuando el cono fue utilizado, aunque sin diferencias significativas respecto a la técnica convencional.

L'ús de materials compostos en el reforç intern d'estructures de formigó

L’ús de materials compostos de matriu polimèrica (FRP, Fibre Reinforced Polymer) en el reforç intern d'estructures de formigó

Variable-stiffness composite panels: Defect tolerance under in-plane tensile loading

Automated Fiber Placement is being extensively used in the production of major composite components for the aircraft industry. This technology enables the production of tow-steered panels, which have been proven to greatly improve the structural efficiency of composites by means of in-plane stiffness variation and load redistribution. However, traditional straight-fiber architectures are still preferred. One of the reasons behind this is related to the uncertainties, as a result of process-induced defects, in the mechanical performance of the laminates. This experimental work investigates the effect of the fiber angle discontinuities between different tow courses in a ply on the un-notched and open-hole tensile strength of the laminate. The influence of several manufacturing parameters are studied in detail. The results reveal that 'ply staggering' and '0% gap coverage' is an effective combination in reducing the influence of defects in these laminates

A Micromechanics-Based Damage Model for [± θ / 90n ]s Composite Laminates

A new damage model based on a micromechanical analysis of cracked [± θ / 90n ]s laminates subjected to multiaxial loads is proposed. The model predicts the onset and accumulation of transverse matrix cracks in uniformly stressed laminates, the effect of matrix cracks on the stiffness of the laminate, as well as the ultimate failure of the laminate. The model also accounts for the effect of the ply thickness on the ply strength. Predictions relating the elastic properties of several laminates and multiaxial loads are presented

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisiparamètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat ambtres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Acoustic properties of polypropylene composites reinforced with stone groundwood

Currently, acoustic isolation is one of the problems raised with building construction in Spain. The publication of the Basic Document for the protection against noise of the Technical Building Code has increased the demand of comfort for citizens. This has created the need to seek new composite materials that meet the new required acoustical building codes. In this paper we report the results of the newly developed composites that are able to improve the acoustic isolation of airborne noise. These composites were prepared from polypropylene (PP) reinforced with mechanical pulp fibers from softwood (Pinus radiata). Mechanical and acoustical properties of the composites from mechanical pulp (MP) and polypropylene (PP) have been investigated and compared to fiberglass (FG) composites. MP composites had lower tensile properties compared with FG composites, although these properties can be improved by incorporation of a coupling agent. The results of acoustical properties of MP composites were reported and compared with the conventional composites based on fiberglass and gypsum plasterboards. Finally, we suggest the application of MP composites as a light-weight building material to reduce acoustic transmitions

Management of corn stalk waste as reinforcement for polypropylene injection moulded composites

The main objective of this study was the management of corn stalk waste as reinforcement for polypropylene (PP) injection moulded composites as an alternative to wood flour and fibers. In the first step, corn stalk waste was subjected to various treatments, and four different corn stalk derivatives (flour and fibers) able to be used as reinforcement of composite materials were prepared and characterized. These derivatives are corn stalk flour, thermo-mechanical, semi-chemical, and chemical fibers. They were characterized in terms of their yield, lignin content, Kappa number, fiber length/diameter ratio, fines, coarseness, viscosity, and the length at the break of a standard sheet of paper. Results showed that the corn stalk derivatives have different physico-chemical properties. In the second step, the prepared flour and fibers were explored as a reinforcing element for PP composites. Coupled and non-coupled PP composites were prepared and tested for tensile properties. For overall trend, with the addition of a coupling agent, tensile properties of composites significantly improved, as compared with non-coupled samples. In addition, a morphological study revealed the positive effect of the coupling agent on the interfacial bonding. The composites prepared with semichemical fiber gave better results in comparison with the rest of the corn stalk derivatives due to its chemical characteristics

Mean intrinsic tensile properties of stone groundwood fibers from softwood

Stone groundwood (SGW) is a fibrous matter commonly prepared in a high yield process, and mainly used for papermaking applications. In this work, the use of SGW fibers is explored as reinforcing element of polypropylene (PP) composites. Due to its chemical and superficial features, the use of coupling agents is needed for a good adhesion and stress transfer across the fiber-matrix interface. The intrinsic strength of the reinforcement is a key parameter to predict the mechanical properties of the composite and to perform an interface analysis. The main objective of the present work was the determination of the intrinsic tensile strength of stone groundwood fibers. Coupled and non-coupled PP composites from stone groundwood fibers were prepared. The influence of the surface morphology and the quality at interface on the final properties of the composite was analyzed and compared to that of fiberglass PP composites. The intrinsic tensile properties of stone groundwood fibers, as well as the fiber orientation factor and the interfacial shear strength of the current composites were determined

Stone-ground wood pulp-reinforced polypropylene composites: water uptake and thermal properties

Two of the drawbacks of using natural-based composites in industrial applications are thermal instability and water uptake capacity. In this work, mechanical wood pulp was used to reinforce polypropylene at a level of 20 to 50 wt. %. Composites were mixed by means of a Brabender internal mixer for both non-coupled and coupled formulations. Differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) were used to determine the thermal properties of the composites. The water uptake behavior was evaluated by immersion of the composites in water until an equilibrium state was reached. Results of water absorption tests revealed that the amount of water absorption was clearly dependent upon the fiber content. The coupled composites showed lower water absorption compared to the uncoupled composites. The incorporation of mechanical wood pulp into the polypropylene matrix produced a clear nucleating effect by increasing the crystallinity degree of the polymer and also increasing the temperature of polymer degradation. The maximum degradation temperature for stone ground wood pulp–reinforced composites was in the range of 330 to 345 ºC

Tensile strength characteristics of polypropylene composites reinforced with stone groundwood fibers from softwood

The behavior of stone groundwood / polypropylene injection-molded composites was evaluated with and without coupling agent. Stone groundwood (SGW) is a fibrous material commonly prepared in a high yield process and mainly used for papermaking applications. In this work, the use of SGW fibers was explored as a reinforcing element of polypropylene (PP) composites. The surface charge density of the composite components was evaluated, as well as the fiber’s length and diameter inside the composite material. Two mixing extrusion processes were evaluated, and the use of a kinetic mixer, instead of an internal mixer, resulted in longer mean fiber lengths of the reinforcing fibers. On the other hand, the accessibility of surface hydroxyl groups of stone groundwood fibers was improved by treating the fibers with 5% of sodium hydroxide, resulting in a noticeable increase of the tensile strength of the composites, for a similar percentage of coupling agent. A new parameter called Fiber Tensile Strength Factor is defined and used as a baseline for the comparison of the properties of the different composite materials. Finally the competitiveness of stone groundwood / polypropylene / polypropylene-co-maleic anhydride system, which compared favorably to sized glass-fiber / polypropylene GF/PP and glass-fiber / polypropylene / polypropylene-co-maleic anhydride composite formulations, was quantified by means of the fiber tensile strength factor

Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica

En el marc del projecte "Modelització de les propietats òptiques de partícules metàl•liques en matriu dielèctrica" s'han desenvolupat un conjunt d'eines numèriques que permeten avançar en l'ús de l'espectroscòpia òptica per a l'obtenció d'informació morfològica de materials compostos consistents en partícules metàl•liques en matriu dielèctrica. S'han implementat esquemes numèrics per a calcular les propietats òptiques de materials compostos on les partícules poden presentar una distribució de mides i formes i diferent graus d'ordenament espacial. Les simulacions s'han realitzat a dos nivells: i) amb l’aproximació quasi-estàtica, que permet descriure el comportament d'aquests materials en termes de constants òptiques efectives i ii) amb càlculs electrodinàmics exactes, que han servit per avaluar la validesa de l’aproximació anterior i que han permès d'estudiar la interacció de partícules amb feixos de llum focalitzats o amb polarització no homogènia. A través de l’anàlisi d'aquestes simulacions, s'han desenvolupat models senzills que permeten parametritzar la influència de diferents quantitats físiques en el comportament òptic del material. Aquests models s'han implementat en un programari de càlcul que permeten trobar el valor òptim dels paràmetres físics d'interès mitjançant l'ajust d'espectres òptics. Els models s'han avaluat amb l'anàlisi de dades experimentals subministrades per altres laboratoris.