Wear Characterization of Aluminium/Basalt Fiber Reinforced Metal Matrix Composites - A Novel Material

Aluminum alloy based metal matrix composite participate have a wider applications in wear resistance applications. Attempt made in current study is that, basalt fiber reinforced aluminum metal matrix composite have been prepared using stir casting method. Different weight percentage of basalt fiber reinforced with Al (6061) metal matrix composites are used to study the wear resistance of the composites. For wear study, percentage of reinforcement, normal load and sliding velocity are the considered as important parameters. To study the effect of basalt fiber reinforcement on the dry sliding wear of Al6061 alloy composites the Pin On wear tester is used. Initially hardness of the composites was tested, it was found that increasing reinforcement in the composite hardness value of the composites also increased. Based on the Grey relation analysis (GRA) the effects of wear resistance of the composites were studied

EVALUATION OF ELECTROPHORETIC DEPOSITION OF MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES ONTO CARBON FIBER

The Fiber Reinforced Polymer Composite (FRPC) has been used widely in the structural application, however, the incorporation of nanoparticle such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) can be utilized to further enhance the mechanical properties of the composites. The aim of this study is to compare the stability of MWCNT in distilled water (DW) and Dimethylformamide (DMF). The chosen incorporation method of deposition of MWCNT onto carbon fiber (CF) were electrophoretic deposition (EPD) due to the advantages of simple apparatus, short function time and low cost. Therefore, the effect of voltages and time were studied to obtain the optimal condition for deposition of MWCNT into CF. The stability of dispersed MWCNT in different types of medium were studied as the importance of the MWCNT to stay stable in the medium is required to attain homogeneous deposition. The UV-vis and colloidal stability test showed that DMF has better stability than DW in the long run. Scanning Electrode Microscopy (SEM) images showed that the best condition for the deposition of MWCNT onto CF were to be deposition time of 10 mins and applied voltage of 20 V. Therefore, the MWCNT dispersed in DW is still valid to be used as dispersing medium for EPD process as the time required for depositing MWCNT onto CF is short and the colloidal suspension is still stable within the time frame

Epoxy-Based Composites

Epoxy-based composites are used in automotive and aerospace applications because of their high strength-to-weight ratio, high stiffness-to-weight ratio, and good resistance to wear and corrosion. This book presents research on epoxy-based composites and their applications. It explains methods of preparing and testing these composites, including the hand lay-up technique, compression molding, and others. This book is useful for industrialists, undergraduate and postgraduate students, research scholars, and scientists

Processing, Characterization and Mechanical Behaviour of Coir/Glass Fibre Reinforced Epoxy Based Hybrid Composites

Fiber reinforced polymer composites has been used in a variety of application because of their many advantages such as relatively low cost of production, easy to fabricate and superior strength compare to neat polymer resins. Reinforcement in polymer is either synthetic or natural. Synthetic fiber such as glass, carbon etc. has high specific strength but their fields of application are limited due to higher cost of production. Recently there is an increase interest in natural fiber based composites due to their many advantages. In this connection an investigation has been carried out to make better utilization of coconut coir fiber for making value added products. The objective of the present research work is to study the physical, mechanical and water absorption behavior of coir/glass fiber reinforced epoxy based hybrid composites. The effect of fiber loading and length on mechanical properties like tensile strength, flexural strength, hardness of composites is studied. A multi-criteria decision making approach called TOPSIS is also used to select the best alternative from a set of alternatives. Also, the surface morphology of fractured surfaces after tensile testing is examined using scanning electron microscopy (SEM)

A new mixed model based on the enhanced-Refined Zigzag Theory for the analysis of thick multilayered composite plates

The Refined Zigzag Theory (RZT) has been widely used in the numerical analysis of multilayered and sandwich plates in the last decay. It has been demonstrated its high accuracy in predicting global quantities, such as maximum displacement, frequencies and buckling loads, and local quantities such as through-the-thickness distribution of displacements and in-plane stresses [1,2]. Moreover, the C0 continuity conditions make this theory appealing to finite element formulations [3]. The standard RZT, due to the derivation of the zigzag functions, cannot be used to investigate the structural behaviour of angle-ply laminated plates. This drawback has been recently solved by introducing a new set of generalized zigzag functions that allow the coupling effect between the local contribution of the zigzag displacements [4]. The newly developed theory has been named enhanced Refined Zigzag Theory (en- RZT) and has been demonstrated to be very accurate in the prediction of displacements, frequencies, buckling loads and stresses. The predictive capabilities of standard RZT for transverse shear stress distributions can be improved using the Reissner’s Mixed Variational Theorem (RMVT). In the mixed RZT, named RZT(m) [5], the assumed transverse shear stresses are derived from the integration of local three-dimensional equilibrium equations. Following the variational statement described by Auricchio and Sacco [6], the purpose of this work is to implement a mixed variational formulation for the en-RZT, in order to improve the accuracy of the predicted transverse stress distributions. The assumed kinematic field is cubic for the in-plane displacements and parabolic for the transverse one. Using an appropriate procedure enforcing the transverse shear stresses null on both the top and bottom surface, a new set of enhanced piecewise cubic zigzag functions are obtained. The transverse normal stress is assumed as a smeared cubic function along the laminate thickness. The assumed transverse shear stresses profile is derived from the integration of local three-dimensional equilibrium equations. The variational functional is the sum of three contributions: (1) one related to the membrane-bending deformation with a full displacement formulation, (2) the Hellinger-Reissner functional for the transverse normal and shear terms and (3) a penalty functional adopted to enforce the compatibility between the strains coming from the displacement field and new “strain” independent variables. The entire formulation is developed and the governing equations are derived for cases with existing analytical solutions. Finally, to assess the proposed model’s predictive capabilities, results are compared with an exact three-dimensional solution, when available, or high-fidelity finite elements 3D models. References: [1] Tessler A, Di Sciuva M, Gherlone M. Refined Zigzag Theory for Laminated Composite and Sandwich Plates. NASA/TP- 2009-215561 2009:1–53. [2] Iurlaro L, Gherlone M, Di Sciuva M, Tessler A. Assessment of the Refined Zigzag Theory for bending, vibration, and buckling of sandwich plates: a comparative study of different theories. Composite Structures 2013;106:777–92. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.07.019. [3] Di Sciuva M, Gherlone M, Iurlaro L, Tessler A. A class of higher-order C0 composite and sandwich beam elements based on the Refined Zigzag Theory. Composite Structures 2015;132:784–803. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.06.071. [4] Sorrenti M, Di Sciuva M. An enhancement of the warping shear functions of Refined Zigzag Theory. Journal of Applied Mechanics 2021;88:7. https://doi.org/10.1115/1.4050908. [5] Iurlaro L, Gherlone M, Di Sciuva M, Tessler A. A Multi-scale Refined Zigzag Theory for Multilayered Composite and Sandwich Plates with Improved Transverse Shear Stresses, Ibiza, Spain: 2013. [6] Auricchio F, Sacco E. Refined First-Order Shear Deformation Theory Models for Composite Laminates. J Appl Mech 2003;70:381–90. https://doi.org/10.1115/1.1572901

Fiber-Reinforced Plastics

This book deepens the study and knowledge on fiber-reinforced plastics (FRPs), which are composite materials made of a polymer matrix reinforced with fibers. The fibers are usually glass, carbon, or aramid, although other fibers such as paper, wood, or asbestos are sometimes used. The polymer is usually an epoxy, vinyl ester, or polyester thermosetting plastic, and phenol-formaldehyde resins are still in use. Among, the most prominent applications of FRPs are in the aerospace, automotive, marine, and construction industries. The development of FRPs has a very promising future with a marked annual increase and with a wide range of sources. This book presents comprehensive information on FRPs and their wide variety of applications in the industry worldwide

Composite Materials in Design Processes

The use of composite materials in the design process allows one to tailer a component’s mechanical properties, thus reducing its overall weight. On the one hand, the possible combinations of matrices, reinforcements, and technologies provides more options to the designer. On the other hand, it increases the fields that need to be investigated in order to obtain all the information requested for a safe design. This Applied Sciences Special Issue, “Composite Materials in Design Processes”, collects recent advances in the design methods for components made of composites and composite material properties at a laminate level or using a multi-scale approach

Multiscale simulation methodology for the forming behavior of biaxial weft-knitted fabrics

Trotz der guten Drapierbarkeit ist das Formen von flachen Mehrlagen-Gestricken (MLG) zu 3D-Preforms für schalenartige Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) Bauteile immer noch eine Herausforderung, da einige Defekte wie Falten, Gassenbildung oder Faserschäden nicht vollständig vermieden werden können. Daher ist vor der Massenproduktion eine Optimierung erforderlich. Die virtuelle Optimierung des Umformprozesses mit Hilfe von Finite-Element-Methode (FEM) Modellen ist ein attraktiver Ansatz, da die Rechenkosten immer geringer werden. Dazu wurde ein auf Kontinuumsmechanik basierendes Makromodell erfolgreich für MLG implementiert. Der makroskalige Modellierungsansatz bietet angemessene Rechenkosten und kann gängige Defekte wie Faltenbildung vorhersagen. Weitere Defekte wie Faserversatz, ondulierte Fasern, Knicken von Fasern, Faserschädigung und Gassenbildung können jedoch mit dem Makromodell nicht vorhergesagt werden. Da die Komplexität von Bauteilen aus FKV und die Qualitätsanforderungen an die 3D-Preforms zunehmen, sind FEM-Modelle mit höherem Darstellungsgrad erforderlich. Im am weitesten entwickelten mesoskaligen FEM-Modell für MLG verhindert die zu starke Vereinfachung des Strickfadensystems mit Federelementen jedoch die Fähigkeit dieses FEM-Modells, Faserverschiebungen und Gassenbildung bei großer Verformung zu beschreiben, wobei das Gleiten zwischen den Fäden berücksichtigt werden muss. Ziel ist daher die Entwicklung, Validierung und Anwendung eines mesoskaligen FEM-Modells für MLG, um die derzeitigen Einschränkungen zu überwinden. Es werden neue Modellierungsstrategien für biaxiale MLG auf der Mesoskala entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften von MLG werden durch eine Reihe von textilphysikalischen Prüfungen charakterisiert und analysiert, die alle notwendigen Daten für den Aufbau sowie die Validierung der FEM-Modelle liefern. Es sollen zwei Ansätze zur Modellierung des Verstärkungsgarns implementiert und verglichen werden: durch Balken- und durch Schalenelemente. Die validierten Modelle können für die Umformsimulation verwendet werden. Es folgt eine Benchmark-Studie über die Kapazität und Zuverlässigkeit der verfügbaren Makromodelle und der entwickelten Mesomodelle durch Umformsimulation. Als Grundlage für die Benchmark-Studie werden Umformversuche durchgeführt. Das zweite Ziel der Arbeit ist die Modellierung von FKV auf verschiedenen Skalen. Die Modellierung von FKV auf der Makroebene wird mit den Daten der Faserorientierung durchgeführt, die aus der Umformsimulation gewonnen werden. Eine Mapping-Methode hilft dabei, die vorhergesagte Faserorientierung aus der Umformsimulation von dem MLG Mesomodell auf das FKV-Makromodell zu übertragen. Um den FKV zu charakterisieren und die Parameter für das FKV Modell vorzubereiten, werden Versuche mit FKV durchgeführt und ausgewertet. Basierend auf dem Mesomodell des MLG wird eine weiteres FKV-Modell vorgeschlagen, wobei Garn und Matrix getrennt modelliert werden. Dieses mesoskalige FKV-Modell enthält auch eine Kontaktformulierung, mit der die Delamination im FKV-Bauteil vorhergesagt werden kann. Prüfungen von Schale-Rippen Strukturen dienen als Grundlage für die Modellvalidierung. Das validierte Modell wird erfolgreich zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens weiterer Schale-Rippen Strukturen mit unterschiedlicher Höhe und Anordnung der Rippen verwendet.:Kapitel 1 stellt die Einleitung und Problemstellung von dem Thema FKV vor. Kapitel 2 gibt eine Übersicht über Stand-der-Technik von den Hochleistungsfasern, Herstellung von textilen Verstärkungen und Halbzeugen, Fertigung von FKV sowie von Prüftechnik für Textilien und FKV. Zunächst wurden in Kapitel 3 eine Einführung in die Modellierung mit FEM allgemein und Stand-der-Technik der Modellierung von technische Textilien gegeben. In Kapitel 4 wurden die Zielsetzung und das Forschungsprogramm festgelegt. Die experimentellen Arbeiten werden in Kapitel 5 vorgestellt. Der erste Schritt ist die Auswahl des Materials und der Konfiguration für die MLG. Sowohl das Ausgangsmaterial als auch die produzierten MLG sollten systematisch getestet werden. Als Referenz wird auch ein Leinwandgewebe in die Prüfprogramme aufgenommen. Neben der Charakterisierung von textilen Flächengebilden sollen auch deren gleichwertige FKV geprüft werden. Das erste Ziel des Forschungsprogramms wird in Kapitel 6 erreicht, wobei verschiedene Ansätze zur Modellierung von MLG vorgestellt und validiert werden. Die entwickelten und validierten FEM-Modelle werden für die Benchmark-Studie der Umformsimulation in Kapitel 7 verwendet. Kapitel 8 befasst sich mit der Modellierung von FKV in verschiedenen Skalen. Zunächst wird das Mapping-Verfahren vorgestellt. Es wird ein Mapping für ein schalenförmiges T-Napf-Bauteil durchgeführt. Die trukturanalyse für das T-Napf-Bauteil erfolgt für übliche Lastfälle. Zweitens wird ein mesoskaliges FEM Modell für MLG-verstärkte FKV vorgeschlagen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Prüfdaten aus Kapitel 5 validiert. Das validierte Modell wird dann zur Vorhersage des mechanischen Verhaltens eines Schale-Rippen-FKV-Bauteils unter Biegebelastung verwendet. Kapitel 9 gibt eine Zusammenfassung von den Forschungsergebnissen und Vorschlägen für mögliche weitere Forschungen rund um dem Thema MLG als Verstärkung für FKV. Die Kombination von vorhandenen Makro-und Mesomodellen in einer einzigen Simulation kann die Berechnungskosten senken, ohne die Vorhersagenfähigkeiten des Modelles kompromittiert zu werden