Single-lap joints of similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive

In this study, the tensile strength of single-lap joints (SLJs) between similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive was evaluated experimentally and numerically. The adherend materials included polyethylene (PE), polypropylene (PP), carbon-epoxy (CFRP), and glass-polyester (GFRP) composites. The following adherend combinations were tested: PE/PE, PE/PP, PE/CFRP, PE/GFRP, PP/PP, CFRP/CFRP, and GFRP/GFRP. One of the objectives of this work was to assess the influence of the adherends stiffness on the strength of the joints since it significantly affects the peel stresses magnitude in the adhesive layer. The experimental results were also used to validate a new mixed-mode cohesive damage model developed to simulate the adhesive layer. Thus, the experimental results were compared with numerical simulations performed in ABAQUS®, including a developed mixed-mode (I+II) cohesive damage model, based on the indirect use of fracture mechanics and implemented within interface finite elements. The cohesive laws present a trapezoidal shape with an increasing stress plateau, to reproduce the behaviour of the ductile adhesive used. A good agreement was found between the experimental and numerical results.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.

Hybrid thermoset polymeric composites – an Innovation towards sustainability

In this study, a new waste management solution for thermoset glass fibre reinforced polymer (GFRP) based products was assessed. Mechanical recycling approach, with reduction of GFRP waste to powdered and fibrous materials was applied, and the prospective added-value of obtained recyclates was experimentally investigated as raw material for polyester based mortars. Different GFRP waste admixed mortar formulations were analyzed varying the content, between 4% up to 12% in weight, of GFRP powder and fibre mix waste. The effect of incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Design of experiments and data treatment was accomplished through implementation of full factorial design and analysis of variance ANOVA. Added value of potential recycling solution was assessed by means of flexural and compressive loading capacity of GFRP waste admixed mortars with regard to unmodified polymer mortars. The key findings of this study showed a viable technological option for improving the quality of polyester based mortars and highlight a potential cost-effective waste management solution for thermoset composite materials in the production of sustainable concrete-polymer based products.

MASS CONSERVATION ENHANCEMENT OF FREE BOUNDARY FLOWS IN COMPOSITES MANUFACTURING

Undesirable void formation during the injection phase of the liquid composite molding process can be understood as a consequence of the non-uniformity of the flow front progression, caused by the dual porosity of the fiber perform. Therefore the best examination of the void formation physics can be provided by a mesolevel analysis, where the characteristic dimension is given by the fiber tow diameter. In mesolevel analysis, liquid impregnation along two different scales; inside fiber tows and within the spaces between them; must be considered and the coupling between these flow regimes must be addressed. In such case, it is extremely important to account correctly for the surface tension effects, which can be modeled as capillary pressure applied at the flow front. When continues Galerkin method is used, exploiting elements with velocity components and pressure as nodal variables, strong numerical implementation of such boundary conditions leads to ill-posing of the problem, in terms of the weak classical as well as stabilized formulation. As a consequence, there is an error in mass conservation accumulated especially along the free flow front. This article presents a numerical procedure, which was formulated and implemented in the existing Free Boundary Program in order to significantly reduce this error.

Mass Conservation Enhancement of Free Boundary Mesolevel Flows during LCM Processes of Composites Manufacturing

Undesirable void formation during the injection phase of the liquid composite moulding process can be understood as a consequence of the non-uniformity of the flow front progression, caused by the dual porosity of the fibre perform. Therefore the best examination of the void formation physics can be provided by a mesolevel analysis, where the characteristic dimension is given by the fibre tow diameter. In mesolevel analysis, liquid impregnation along two different scales; inside fibre tows and within the open spaces between them; must be considered and the coupling between these flow regimes must be addressed. In such case, it is extremely important to account correctly for the surface tension effects, which can be modelled as capillary pressure applied at the flow front. Numerical implementation of such boundary conditions leads to ill-posing of the problem, in terms of the weak classical as well as stabilized formulation. As a consequence, there is an error in mass conservation accumulated especially along the free flow front. This contribution presents a numerical procedure, which was formulated and implemented in the existing Free Boundary Program in order to significantly reduce this error.

Otimização de placas compósitas laminadas utilizando redes neuronais e enxames de partículas

Trabalho Final de mestrado para obtenção do grau de Mestre em engenharia Mecância

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

Estudo da Delaminação em Compósitos de Epóxido Reforçado com Borracha e Fibras Naturais

Nos últimos anos, a utilização dos materiais compósitos tem vindo a tornar-se cada vez mais comum em várias indústrias, onde se verifica uma ascensão na procura pelos mesmos. Características como o baixo peso aliado à sua alta resistência e rigidez permitem que estes materiais possuam diversas aplicações em variadas áreas, desde a medicina, aeronáutica, indústria automóvel e aeroespacial, até à indústria eletrónica. Hoje em dia, o uso de desperdícios sólidos de borracha e fibras naturais na produção de materiais compósitos é, mais que uma opção, uma necessidade ambiental. De forma a reduzir as enormes quantidades de desperdícios, foi criado um material compósito constituído por uma resina termoendurecível reforçada com esses dois tipos de desperdícios. Parâmetros de fabrico como a percentagem de borracha, o tamanho das partículas de borracha, a percentagem de fibras de cana-de-açúcar e o comprimento dessas fibras foram variados, com o objetivo de estudar a influência destes dois materiais nas propriedades mecânicas do compósito. Apesar da maior parte dos compósitos serem fabricados na forma de uma peça funcional quase pronta a ser utilizada, por vezes é necessário recorrer à maquinação de furos. Apesar das muitas técnicas de furação existentes, os defeitos resultantes deste processo aplicado aos materiais compósitos são ainda muito comuns. Desses defeitos o que mais se destaca é sem dúvida a delaminação. Trinta e seis provetes de epóxido reforçado com borracha e fibra de cana-de-açúcar foram fabricados e furados, de modo a possibilitar o estudo das propriedades mecânicas do material compósito, assim como a análise da zona danificada durante a furação. Diferentes condições de furação, como tipos de broca e velocidades de avanço diferentes, foram impostas aos provetes de forma a variar o mais possível a zona de dano de uns furos para os outros. Parâmetros como a área de dano ou ainda o fator de delaminação provam ser muito úteis na caracterização e quantificação do dano na zona periférica de um furo. Recorrendo a técnicas de processamento de imagem foi possível obter esses parâmetros. O processamento e análise de imagem pode ser feito através de vários métodos. O método utilizado neste trabalho foi o software MATLAB® associado a ferramentas de processamento de imagem. Depois de feita a análise dos furos foram realizados ensaios de esmagamento a todos os provetes. Este passo permitiu assim avaliar de que forma os parâmetros de furação influenciam a resistência mecânica do material, e se a avaliação realizada aos furos é um método viável para a avaliação da extensão de dano nesses furos.

Production of aluminium based composites reinforced with embedded NiTi by friction stir welding

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Electrochemical supercapacitors of conductive polymers and their composites

Dissertação Para Obtenção Do Grau De Mestre Em Bioorgânica

Cellulose-based composites as functional conductive materials for printed electronics

In this work, cellulose-based electro and ionic conductive composites were developed for application in cellulose based printed electronics. Electroconductive inks were successfully formulated for screen-printing using carbon fibers (CFs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as conductive functional material and cellulose derivatives working as binder. The formulated inks were used to fabricate conductive flexible and disposable electrodes on paper-based substrates. Interesting results were obtained after 10 printing passes and drying at RT of the ink with 10 % wt. of pristine CFs and 3% wt. of carboxymethyl cellulose (CMC), exhibiting a resistivity of 1.03 Ωcm and a resolution of 400 μm. Also, a resistivity of 0.57 Ωcm was obtained for only one printing pass using an ink based on 0.5 % wt. MWCNTs and 3 % wt. CMC. It was also demonstrated that ionic conductive cellulose matrix hydrogel can be used in electrolyte-gated transistors (EGTs). The electrolytes revealed a double layer capacitance of 12.10 μFcm-2 and ionic conductivity of 3.56x10-7 Scm-1. EGTs with a planar configuration, using sputtered GIZO as semiconducting layer, reached an ON/OFF ratio of 3.47x105, a VON of 0.2 V and a charge carrier mobility of 2.32 cm2V-1s-1.

Monitoring the early stiffness development in epoxy adhesives for structural strengthening

The present work aimed to assess the early-age evolution of E-modulus of epoxy adhesives used for Fibre-Reinforced Polymer (FRP) strengthening applications. The study involved adapting an existing technique devised for continuous monitoring of concrete stiffness since casting, called EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) for evaluation of epoxy stiffness. Furthermore, monotonic tensile tests according to ISO standards and cyclic tensile tests were carried out at several ages. A comparison between the obtained results was performed in order to better understand the performance of the several techniques in the assessment of stiffness of epoxy resins. When compared to the other methodologies, the method for calculation of E-modulus recommended by ISO standard led to lower values, since in the considered strain interval, the adhesive had a non-linear stress–strain relationship. The EMM-ARM technique revealed its capability in clearly identifying the hardening kinetics of epoxy adhesives, measuring the material stiffness growth during the entire curing period. At very early ages the values of Young׳s modulus obtained with quasi-static tests were lower than the values collected by EMM-ARM, due to the fact that epoxy resin exhibited a significant visco-elastic behaviour.

Thin panels of cement composites reinforced with recycled fibres for the shear strengthening of reinforced concrete elements

A new technique was developed for producing thin panels of a cement based material reinforced with relatively high content of steel fibres originated from the industry of tyre recycling. Flexural tests with notched and un-notched specimens were carried out to characterize the mechanical properties of this Fibre Reinforced Cement Composite (FRCC) and the results are presented and discussed. The values of the fracture mode I parameters of the developed FRCC were determined by performing inverse analysis with test results obtained in three point notched beam bending tests. To appraise the potentialities of these FRCC panels for the increase of the shear capacity of reinforced (RC) beams, numerical research was performed on the use of developed FRCC panel for shear reinforcement by applying the panels in the lateral faces of RC beams deficiently reinforced in shear.

Shear strengthening of damaged reinforced concrete beams with hybrid composite plates

This paper aims to evaluate experimentally the potentialities of Hybrid Composite Plates (HCPs) technique for the shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams that were previously subjected to intense damage in shear. HCP is a thin plate of Strain Hardening Cementitious Composite (SHCC) reinforced with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates. For this purpose, an experimental program composed of two series of beams (rectangular and T cross section) was executed to assess the strengthening efficiency of this technique. In the first step of this experimental program, the control beams, without steel stirrups, were loaded up to their shear failure, and fully unloaded. Then, these pre-damaged beams were shear strengthened by applying HCPs to their lateral faces by using a combination of epoxy adhesive and mechanical anchors. The bolts were applied with a certain torque in order to increase the concrete confinement. The obtained results showed that the increase of load carrying capacity of the damaged strengthened beams when HCPs were applied with epoxy adhesive and mechanical anchors was 2 and 2.5 times of the load carrying capacity of the corresponding reference beams (without HCPs) for the rectangular and T cross section beam series, respectively. To further explore the potentialities of the HCPs technique for the shear strengthening, the experimental tests were simulated using an advanced numerical model by a FEM-based computer program. After demonstration the good predictive performance of the numerical model, a parametric study was executed to highlight the influence of SHCC as an alternative for mortar, as well as the influence of torque level applied to the mechanical anchors, on the load carrying capacity of beams strengthened with the proposed technique.