Experimental and computational micromechanical study of fiber-reinforced polymers

Los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados por fibras tienen propiedades mecánicas muy adecuadas para su utilización en aplicaciones estructurales. Estos materiales, debido a los altos valores de rigidez y resistencia específica, están desplazando a materiales convencionales en numerosas aplicaciones en las que se requiere la mejor relación entre las prestaciones mecánicas y el peso. Hoy en día, en el diseño de estructuras con materiales compuestos se utilizan criterios de fallo con base fenomenológica que requieren de un gran número de ensayos experimentales para obtener todos los parámetros del material necesarios y garantizar la seguridad de los componentes construidos. Este inconveniente en la aplicación de materiales compuestos se debe a la complejidad de su comportamiento mecánico, que está gobernado por diversos procesos que ocurren a nivel microscópico. Este es el caso, por ejemplo, de procesos como la concentración de tensiones y deformaciones, las decohesiones entre las distintas fases del compuesto o el fallo de los microconstituyentes, que determinan las propiedades finales del material. En esta tesis se estudia la influencia de la microestructura y las propiedades de los microconstituyentes en el comportamiento mecánico en la dirección perpendicular al refuerzo de un laminado unidireccional de fibras de vidrio embebidas en una matriz epoxi. Las propiedades mecánicas de la matriz polimérica y de las intercaras fibra/matriz se caracterizaron mediante técnicas de nanoindentación y pushout, respectivamente. Los mecanismos de deformación y daño desarrollados en la microestructura del material compuesto se analizaron mediante la realización de ensayos mecánicos de compresión y flexión en tres puntos en el interior de un microscopio electrónico de barrido. Como resultado, se encontró que el daño del material compuesto sometido a cargas en la dirección perpendicular al refuerzo comenzaba en las intercaras fibra/matriz y se propagaba a través de la unión de las intercaras dañadas mediante la rotura de los ligamentos de matriz entre fibras decohesionadas. El comportamiento mecánico del laminado hasta rotura se modeló mediante la simulación por elementos finitos de modelos micromecánicos que representaban la microestructura real del material. Siguiendo las observaciones experimentales, el modelo numérico incluía la decohesión de las intercaras y la rotura de la matriz. Los resultados de las simulaciones mostraron un buen acuerdo con los experimentos tanto en su respuesta macroscópica como en los mecanismos de deformación y daño microscópicos. El modelo numérico desarrollado sirvió para obtener la envolvente de fallo del material compuesto bajo cargas normales en la dirección perpendicular al refuerzo y cortante fuera de plano. Los resultados obtenidos de las simulaciones se compararon con las predicciones de los criterios de Hashin y Puck para el fallo de laminados. Fiber-reinforced polymers (FRPs) exhibit outstanding mechanical properties, ideal for their use in structural applications. Due to the high specific values of stiffness and strength, these composites are replacing conventional materials in applications where a superior mechanical performance in combination with weight saving is necessary. However, the lack of reliable and experimentally contrasted models to accurately predict the failure strength of FRPs makes the optimization process of composite structures to be carried out by means of a costly and time-consuming trial-and-error approach, which requires an immense burden of testing and restricts the promising improvements of the use of composites. This difficulty in the simulation of mechanical behavior and damage of composites is due to the fact that an accurate model should account for the phenomena which take place at the micron scale, which is in the size of the reinforcement. This is the case, for instance, of the stress and strain concentration, decohesion of the reinforcement and damage of the material constituents. This thesis studies the influence of the microstructure and the properties of the microconstituents in the mechanical behavior of a unidirectional laminate of glass fiber embedded in a matrix of epoxy resin, for the transverse loading cases. To this end, the mechanical properties of the polymeric matrix and the fiber/matrix interfaces have been experimentally characterized by means of nanoindentation and push-out techniques, respectively. The deformation and damage mechanisms developed in the microstructure of the composite have been analyzed through compression and threepoint bending tests carried out inside the scanning electron microscope. It was found that the damage process began by the decohesion of the fiber/matrix interfaces, and continues with the subsequent propagation of the damage by the link up of the interface fractures by breaking the matrix ligaments between debonded fibers. The mechanical behavior of the unidirectional laminate until final fracture was modeled by the finite element simulation of micromechanical models which represented the microstructure of the real material. Following the previous experimental observation, the interface decohesion and the failure of the matrix were included in the computational model. The simulation results were in very good agreement with the experiments in terms of the macroscopic response and of the microscopic mechanisms. Finally, the numerical model was also employed to obtain the failure envelope of the composite under transverse loads and out-of-plane shear. The model results were assessed with the predictions of the Hashin and Puck’s crieria for the failure of laminate

Application of digital image correlation at the microscale in fiber-reinforced composites

Digital image correlation (DIC) is applied to analyzing the deformation mechanisms under transverse compression in a fiber-reinforced composite. To this end, compression tests in a direction perpendicular to the fibers were carried out inside a scanning electron microscope and secondary electron images obtained at different magnifications during the test. Optimum DIC parameters to resolve the displacement and strain field were computed from numerical simulations of a model composite and they were applied to micrographs obtained at different magnifications (250_, 2000_, and 6000_). It is shown that DIC of low-magnification micrographs was able to capture the long range fluctuations in strain due to the presence of matrix-rich and fiber-rich zones, responsible for the onset of damage. At higher magnification, the strain fields obtained with DIC qualitatively reproduce the non-homogeneous deformation pattern due to the presence of stiff fibers dispersed in a compliant matrix and provide accurate results of the average composite strain. However, comparison with finite element simulations revealed that DIC was not able to accurately capture the average strain in each phase

Mecanismos de Deformación en laminados de matriz polimérica correlación digital de imágenes y micromecánica computacional

Se ha realizado un estudio micromecánico experimental del comportamiento de laminados unidireccionales sometidos a compresión en la dirección perpendicular a las fibras. Se ha empleado la técnica de correlación digital de imágenes para observar la evolución de los campos de desplazamientos y deformaciones en la microestructura del material compuesto. En los contornos de deformación obtenidos experimentalmente se ha comprobado como las fibras tienen una deformación muy pequeña, mientras que las mayores deformaciones se concentran en las zonas de matriz de menor fracción volumétrica de fibras. Simulando por elementos finitos la microestructura estudiada se han reproducido los resultados experimentales, obteniendo distribuciones de campos de desplazamientos y deformaciones muy similares a las observadas experimentalmente