Experimental characterization of carbon-fiber-reinforced polymer laminates

The goal of this thesis is to make static tensile test on four Carbon Fiber Reinforced Polymer laminates, in such a way as to obtain the ultimate tensile strength of these laminates; in particular, the laminates analyzed were produced by Hand Lay-up technology. Testing these laminates we have a reference point on which to compare other laminates and in particular CFRP laminate produced by RTM technology.

Damping and Thermomechanical behaviour of CFRP laminates modified with rubbery nanofibers

Nanofibrous membranes are a promising material for tailoring the properties of laminated CFRP composites by embedding them into the structure. This project aimed to understand the effect of number, position and thickness of nanofibrous modifications specifically on the damping behaviour of the resulting nano-modified CFRP composite with an epoxy matrix. An improvement of damping capacity is expected to improve a composites lifetime and fatigue resistance by prohibiting the formation of microcracks and consequently hindering delamination, it also promises a rise in comfort for a range of final products by intermission of vibration propagation and therefore diminution of noise. Electrospinning was the technique employed to produce nanofibrous membranes from a blend of polymeric solutions. SEM, WAXS and DSC were utilised to evaluate the quality of the obtained membranes before they were introduced, following a specific stacking sequence, in the production process of the laminate. A suitable curing cycle in an autoclave was applied to mend the modifications together with the matrix material, ensuring full crosslinking of the matrix and therefore finalising the production process. DMA was exercised in order to gain an understanding about the effects of the different modifications on the properties of the composite. During this investigation it became apparent that a high number of modifications of laminate CFRP composites, with an epoxy matrix, with thick rubbery nanofibrous membranes has a positive effect on the damping capacity and the temperature range the effect applies in. A suggestion for subsequent studies as well as a recommendation for the production of nano-modified CFRP structures is included at the end of this document.

Cure Induced Residual Stresses on Thick Composite Components Manufactured by Additive Process

This study investigates the effect of an additive process in manufacturing of thick composites. Airstone 780 E epoxy resin and 785H Hardener system is used in the analysis since it is widely used wind turbine blade, namely thick components. As a fiber, fabric by SAERTEX (812 g/m2) with a 0-90 degrees layup direction is used. Temperature overshoot is a major issue during the manufacturing of thick composites. A high temperature overshoot leads to an increase in residual stresses. These residual stresses are causing warping, delamination, dimensional instability, and undesired distortion of composite structures. A coupled thermo-mechanical model capable of predicting cure induced residual stresses have been built using the commercial FE software Abaqus®. The possibility of building thick composite components by means of adding a finite number of sub-laminates has been investigated. The results have been compared against components manufactured following a standard route. The influence of pre-curing of the sub-laminates has also been addressed and results compared with standard practice. As a result of the study, it is found that introducing additive process can prevent temperature overshoot to occur and benefits the residual stresses generation during the curing process. However, the process time required increases by 50%, therefore increasing the manufacturing costs. An optimized cure cycle is required to minimize process time and cure induced defects simultaneously.

Materiali Compositi a Matrice Cementizia per i Rinforzi Strutturali

L’utilizzo degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) nel campo dell’ingegneria civile riguarda essenzialmente il settore del restauro delle strutture degradate o danneggiate e quello dell’adeguamento statico delle strutture edificate in zona sismica; in questi settori è evidente la difficoltà operativa alla quale si va in contro se si volessero utilizzare tecniche di intervento che sfruttano materiali tradizionali. I motivi per cui è opportuno intervenire con sistemi compositi fibrosi sono: • l’estrema leggerezza del rinforzo, da cui ne deriva un incremento pressoché nullo delle masse sismiche ed allo stesso tempo un considerevole aumento della duttilità strutturale; • messa in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature da un numero limitato di operatori, da cui un minore costo della mano d’opera; • posizionamento in tempi brevi e spesso senza interrompere l’esercizio della struttura. Il parametro principale che definisce le caratteristiche di un rinforzo fibroso non è la resistenza a trazione, che risulta essere ben al di sopra dei tassi di lavoro cui sono soggette le fibre, bensì il modulo elastico, di fatti, più tale valore è elevato maggiore sarà il contributo irrigidente che il rinforzo potrà fornire all’elemento strutturale sul quale è applicato. Generalmente per il rinforzo di strutture in c.a. si preferiscono fibre sia con resistenza a trazione medio-alta (>2000 MPa) che con modulo elastico medio-alto (E=170-250 GPa), mentre per il recupero degli edifici in muratura o con struttura in legno si scelgono fibre con modulo di elasticità più basso (E≤80 GPa) tipo quelle aramidiche che meglio si accordano con la rigidezza propria del supporto rinforzato. In questo contesto, ormai ampliamente ben disposto nei confronti dei compositi, si affacciano ora nuove generazioni di rinforzi. A gli ormai “classici” FRP, realizzati con fibre di carbonio o fibre di vetro accoppiate a matrici organiche (resine epossidiche), si affiancano gli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), i TRM (Textile Reinforced Mortars) e gli SRG (Steel Reinforced Grout) che sfruttano sia le eccezionali proprietà di fibre di nuova concezione come quelle in PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), sia un materiale come l’acciaio, che, per quanto comune nel campo dell’edilizia, viene caratterizzato da lavorazioni innovative che ne migliorano le prestazioni meccaniche. Tutte queste nuove tipologie di compositi, nonostante siano state annoverate con nomenclature così differenti, sono però accomunate dell’elemento che ne permette il funzionamento e l’adesione al supporto: la matrice cementizia

Analisi sperimentale degli effetti di temperature elevate sul comportamento strutturale dei rinforzi in FRP

In questa tesi si è voluta porre l’attenzione sulla suscettibilità alle alte temperature delle resine che li compongono. Lo studio del comportamento alle alte temperature delle resine utilizzate per l’applicazione dei materiali compositi è risultato un campo di studio ancora non completamente sviluppato, nel quale c’è ancora necessità di ricerche per meglio chiarire alcuni aspetti del comportamento. L’analisi di questi materiali si sviluppa partendo dal contesto storico, e procedendo successivamente ad una accurata classificazione delle varie tipologie di materiali compositi soffermandosi sull’ utilizzo nel campo civile degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) e mettendone in risalto le proprietà meccaniche. Considerata l’influenza che il comportamento delle resine riveste nel comportamento alle alte temperature dei materiali compositi si è, per questi elementi, eseguita una classificazione in base alle loro proprietà fisico-chimiche e ne sono state esaminate le principali proprietà meccaniche e termiche quali il modulo elastico, la tensione di rottura, la temperatura di transizione vetrosa e il fenomeno del creep. Sono state successivamente eseguite delle prove sperimentali, effettuate presso il Laboratorio Resistenza Materiali e presso il Laboratorio del Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali, su dei provini confezionati con otto differenti resine epossidiche. Per valutarne il comportamento alle alte temperature, le indagini sperimentali hanno valutato dapprima le temperature di transizione vetrosa delle resine in questione e, in seguito, le loro caratteristiche meccaniche. Dalla correlazione dei dati rilevati si sono cercati possibili legami tra le caratteristiche meccaniche e le proprietà termiche delle resine. Si sono infine valutati gli aspetti dell’applicazione degli FRP che possano influire sul comportamento del materiale composito soggetto alle alte temperature valutando delle possibili precauzioni che possano essere considerate in fase progettuale.