Characterization of a New Fully Recycled Carbon Fiber Reinforced Composite Subjected to High Strain Rate Tension

The aim of this study is the complete physicochemical characterization and strain rate effect multi-scale analysis of a new fully recycled carbon fiber reinforced composites for automotive crash application. Two composites made of 20% wt short recycled carbon fibers (CF) are obtained by injection molding. The morphology and the degree of dispersion of CF in the matrixes were examined using a new ultrasonic method and SEM. High strain tensile behavior up to 100 s-1 is investigated. In order to avoid perturbation due to inertial effect and wave propagation, the specimen geometry was optimized. The elastic properties appear to be insensitive to the strain rate. However, a high strain rate effect on the local visco-plasticity of the matrix and fiber/matrix interface visco-damageable behavior is emphasized. The predominant damage mechanisms evolve from generalized matrix local ductility at low strain rate regime to fiber/matrix interface debonding and fibers pull-out at high strain rate regime

Etude du comportement dynamique couplé au vieillissement des composites totalement recyclés à renfort carbone : de la caractérisation à la modélisation

In the automotive sector, integrating more and more recycled composite materials while improving the initial performance and decreasing the carried masses becomes a compromise that needs to be addressed. Moreover, structural parts made of composite materials intended for crash are often subjected to environmental conditions, including moderately high temperatures, capable of causing gradual physico-chemical degradation. Thus, to ensure better design and durability of parts, it is important to understand the influence of thermal aging on the dynamic properties of materials. To this end, this work aims to couple the physics of oxidative degradation kinetics and the multi-scales mechanical behavior of a new fully recycled composite based on a polypropylene matrix and carbon fibers. The first axis of the study is dedicated to the elaboration, the physicochemical, microstructural and mechanical characterization of several formulations of composites. Once the optimal composite is selected, a hybrid experimental and numerical methodology is s is developed in order to characterize the dynamic properties at high strain rates reaching 100 s-1. The second axis of this work is focused on the study of the influence of thermo-oxidation on the physicochemical and mechanical properties at different strain rates of the optimal composite and its matrix. The resulting experimental has allowed the identification of a kinetic model parameters based on a mechanistic scheme. Furthermore, a qualitative and quantitative study of the effect of aging on the damage mechanisms has been carried out at a microscopic scale in order to establish a damage law linking, for a given imposed strain, the local damage density to the concentration of the oxidation products. The results of this study highlight the possibility of developing behavioral laws affected by the parameters of kinetic models describing the evolution of the physicochemical state of the composite during aging.Dans le domaine automobile, intégrer de plus en plus de matériaux composites recyclés tout en améliorant les performances initiales et en diminuant les masses emportées devient un compromis auquel il faut répondre. Par ailleurs, les pièces de structures en matériaux composites destinées au crash sont souvent soumises à des conditions environnementales, notamment des températures modérément élevées, pouvant produire une dégradation physico-chimique progressive. Ainsi, pour assurer une meilleure conception et une durabilité des pièces, il est primordial de bien cerner l’influence du vieillissement thermique sur les propriétés dynamiques des matériaux. Dans ce but, ce travail vise à coupler la physique de la cinétique de dégradation par oxydation et le comportement mécanique multi-échelles d’un nouveau matériau composite totalement issu du recyclage à renfort carbone et matrice à base polypropylène. Le premier axe de l’étude est dédié à l’élaboration, la caractérisation physicochimique, microstructurale et mécanique de plusieurs formulations de composites. Une fois le composite optimal sélectionné, une méthodologie hybride, expérimentale et numérique, visant à caractériser les propriétés dynamiques rapides allant jusqu’à des vitesses de déformation de 100 s-1 est développée. Le deuxième axe de ce travail est focalisé sur l’étude de l’influence de la thermo-oxydation sur les propriétés physico-chimique et mécaniques à différentes vitesses de sollicitation du composite optimal et sa matrice. L’ensemble des données expérimentales issues du vieillissement a permis l’identification d’un modèle cinétique basé sur un schéma mécanistique de l’oxydation des matériaux vieillis. D’autre part, une étude qualitative et quantitative de l’effet du vieillissement sur les mécanismes d’endommagement a été réalisée à l’échelle microscopique visant à mettre en place une loi d’endommagement reliant, pour une déformation imposée donnée, le taux d’endommagement local à la concentration des produits d’oxydation. Les résultats de cette étude mettent en évidence la possibilité de développer des lois de comportement affectés par les paramètres de modèles cinétiques décrivant l’évolution de l’état physico-chimique du composite au cours du vieillissement

Study of the dynamic behavior coupled with aging of fully recycled composites with carbon reinforcement : from characterization to modeling

Dans le domaine automobile, intégrer de plus en plus de matériaux composites recyclés tout en améliorant les performances initiales et en diminuant les masses emportées devient un compromis auquel il faut répondre. Par ailleurs, les pièces de structures en matériaux composites destinées au crash sont souvent soumises à des conditions environnementales, notamment des températures modérément élevées, pouvant produire une dégradation physico-chimique progressive. Ainsi, pour assurer une meilleure conception et une durabilité des pièces, il est primordial de bien cerner l’influence du vieillissement thermique sur les propriétés dynamiques des matériaux. Dans ce but, ce travail vise à coupler la physique de la cinétique de dégradation par oxydation et le comportement mécanique multi-échelles d’un nouveau matériau composite totalement issu du recyclage à renfort carbone et matrice à base polypropylène. Le premier axe de l’étude est dédié à l’élaboration, la caractérisation physicochimique, microstructurale et mécanique de plusieurs formulations de composites. Une fois le composite optimal sélectionné, une méthodologie hybride, expérimentale et numérique, visant à caractériser les propriétés dynamiques rapides allant jusqu’à des vitesses de déformation de 100 s-1 est développée. Le deuxième axe de ce travail est focalisé sur l’étude de l’influence de la thermo-oxydation sur les propriétés physico-chimique et mécaniques à différentes vitesses de sollicitation du composite optimal et sa matrice. L’ensemble des données expérimentales issues du vieillissement a permis l’identification d’un modèle cinétique basé sur un schéma mécanistique de l’oxydation des matériaux vieillis. D’autre part, une étude qualitative et quantitative de l’effet du vieillissement sur les mécanismes d’endommagement a été réalisée à l’échelle microscopique visant à mettre en place une loi d’endommagement reliant, pour une déformation imposée donnée, le taux d’endommagement local à la concentration des produits d’oxydation. Les résultats de cette étude mettent en évidence la possibilité de développer des lois de comportement affectés par les paramètres de modèles cinétiques décrivant l’évolution de l’état physico-chimique du composite au cours du vieillissement.In the automotive sector, integrating more and more recycled composite materials while improving the initial performance and decreasing the carried masses becomes a compromise that needs to be addressed. Moreover, structural parts made of composite materials intended for crash are often subjected to environmental conditions, including moderately high temperatures, capable of causing gradual physico-chemical degradation. Thus, to ensure better design and durability of parts, it is important to understand the influence of thermal aging on the dynamic properties of materials. To this end, this work aims to couple the physics of oxidative degradation kinetics and the multi-scales mechanical behavior of a new fully recycled composite based on a polypropylene matrix and carbon fibers. The first axis of the study is dedicated to the elaboration, the physicochemical, microstructural and mechanical characterization of several formulations of composites. Once the optimal composite is selected, a hybrid experimental and numerical methodology is s is developed in order to characterize the dynamic properties at high strain rates reaching 100 s-1. The second axis of this work is focused on the study of the influence of thermo-oxidation on the physicochemical and mechanical properties at different strain rates of the optimal composite and its matrix. The resulting experimental has allowed the identification of a kinetic model parameters based on a mechanistic scheme. Furthermore, a qualitative and quantitative study of the effect of aging on the damage mechanisms has been carried out at a microscopic scale in order to establish a damage law linking, for a given imposed strain, the local damage density to the concentration of the oxidation products. The results of this study highlight the possibility of developing behavioral laws affected by the parameters of kinetic models describing the evolution of the physicochemical state of the composite during aging

Thermal aging influence on the damage mechanisms of fully recycled composite-reinforced polypropylene/polyethylene blend

International audienceThe main aim of this work is to study the effect of thermal aging on damage mechanisms of a totally recycled composite. The studied material was elaborated by injection molding from a mixture of both recycled matrix (polypropylene-polyethylene blend) and reinforcement (short carbon fibers). Damage mechanisms analysis was carried out using scanning electron microscope (in situ three point bending tests performed on specimens taken at different times of oxidation under different temperatures: 120, 130, and 140°C. Damage mechanisms were identified for different material states. It was shown that thermal aging affects the fiber–matrix interfacial zone while good adhesion between the reinforcement and the matrix was observed for the virgin sample. Furthermore, a quantitative analysis was performed at the local scale in a representative zone of the tensile area. Representative local damage indicators were defined. Results display clearly that damage evolutions always begin during the induction period. Thermal aging effect was then analyzed through the comparison of damage thresholds and kinetics for different material states after different times of oxidation