Development of tridimensional carbon fiber/epoxy composites reinforced through the thickness and the mechanical characterization of interlaminar fracture toughness and vibration properties

This study is focused on the assessment of the interlaminar fracture toughness in mode II and vibration mechanical properties of composites reinforced through the thickness with rectangular z-pinned manufactured by VARTM (Vacuum-assisted resin transfer molding) process. The influence of z-pinning in the mechanical properties of laminated structures is carried out and for the specimens with different z-pins sizes and pin areal densities are manufactured after Design of Experiment (DOE) matrix determination. For the composites fabricated without a polymeric mold, vibration properties z-pins reinforced composites demonstrated that the size and density of insertion of z-pins has a direct influence on the natural frequency of vibration, on the damping, or loss, and the amplitude of vibration. With the optimization made by the method of response surface (MSR), in a mono-objective analysis, it was demonstrated that it is possible to obtaining reductions in the maximum amplitude of forced vibration of 115%, and in an analysis multi objective has been shown that with a given insertion density and size of z-pins 81% reductions in maximum forced vibration amplitude and increases of 25% and 11% can be achieved damping factor and natural frequency of vibration, respectively. For the composites manufactured with polymeric mold, the fracture toughness in mode II was investigated and the results showed that pinning in composites improved the fracture resistance for all pinning proposals built. For the NPC (Non-precracked) step, the highest (GIIc)value achieved was for a 0.50 mm with a 2% pin density insertion, being 106% higher than the unpinned specimen. For the PC (Precracked) step, the thicker pins 1.00 mm and 1.10 mm acted again as a positive influence to mitigate the delamination and achieved elevated values of (GIIc), 77.5% and 78.3% higher than the unpinned specimen, respectively. The statistical results pointed that for the NPC case, the increase in density of pins always generates an increase in the fracture toughness and the contribution of the pin size to increase the fracture toughness. From there, increasing the size of the pin has little influence in NPC. For PC case, was shown that the pin size increasing decreases the fracture resistance, except for low pin density. Furthermore, the Artificial Neural Networks (ANN) trained with part of these experimental data showed excellent predictive capacity of fracture toughness. The modal responses of the laminates fabricated with a polymeric mold the experimental results indicated that, in most cases, there was an increase in the natural frequency and highlights the reduction, from approx. 60% to 70%, in the amplitude of vibration for all specimens with z-pin reinforcement in comparison to the unpinned. Furthermore, the experimental data compared the statistical results pointed that z pins had a positive influence increasing and decreasing natural frequency and forced vibration amplitude, respectively, of z-pinned composites compared to the non-reinforced and the trained ANN with the experimental data presented a very good agreement with experimental tests carried out in this investigation for predicting modal response.Este estudo tem como objetivo analisar a influência da inserção de z-pins retangulares com diferentes tamanhos e densidades de inserção, determinados pela matriz de experimentos de um Planejamento de Experimentos (DOE), nas propriedades mecânicas de tenacidade à fratura interlaminar em modo II e de vibrações de compósitos reforçados através da espessura fabricados por VARTM (Vacuum-assisted resin transfer molding). Para os compósitos fabricados sem molde polimérico, as propriedades de vibração dos compósitos reforçados com z-pins demonstraram que o tamanho e a densidade de inserção têm influência direta na frequência natural de vibração, no amortecimento e na amplitude de vibração. Com a otimização feita pelo método de superfície de resposta (MSR), em uma análise monoobjetiva, foi demonstrado que é possível obter reduções na amplitude máxima de vibração forçada de 115%, e em uma análise multiobjetiva foi demonstrado que com uma determinada densidade de inserção e tamanho dos z-pins têm-se 81% de redução na amplitude máxima de vibração forçada e aumentos de 25% e 11% podem ser alcançados no fator de amortecimento e na frequência natural de vibração, respectivamente. Para os compósitos fabricados com molde polimérico, a tenacidade à fratura em modo II foi investigada e os resultados mostraram que a inserção de z-pins aumentou a resistência à delaminação para todas os corpos de prova. Para a etapa NPC (Non-precracked), o maior valor de (GIIc) foi para o pino de 0,50 mm com inserção de 2%, sendo 106% superior ao corpo de prova sem reforço através da espessura. Para a etapa PC (Precracked), os pinos maiores com 1,00 mm e 1,10 mm atuaram novamente como uma influência positiva para mitigar a delaminação e atingiram valores elevados de (GIIc), 77,5% e 78,3% maiores que o corpo de prova sem pino, respectivamente. Os resultados estatísticos apontaram que para o caso NPC, o aumento da densidade de inserção sempre gera um aumento na tenacidade à fratura. A partir disto, aumentar o tamanho do pino tem pouca influência no NPC. Para a etapa PC foi demonstrado que o aumento do tamanho do pino diminui a resistência à fratura, exceto para baixa densidade de inserção. Além disso, as Redes Neurais Artificiais (Artifial Neural Network - ANN) treinadas com parte dos dados experimentais mostraram excelente capacidade preditiva das propriedades de tenacidade à fratura interlaminar. Para as respostas modais dos laminados fabricados com molde polimérico, os resultados experimentais indicaram que, na maioria dos casos, houve um aumento na frequência natural e houve uma redução, entre 60% a 70%, na amplitude de vibração para todos os corpos de prova reforçados com z-pins quando comparados aos sem reforço através da espessura. Além disso, os dados experimentais comparados com os resultados estatísticos apontaram que os z-pins tiveram uma influência positiva aumentando a frequência natural e diminuindo a amplitude de vibração forçada dos compósitos reforçados com z-pins, além disso, a ANN treinada com os dados experimentais apresentou concordância com os resultados dos testes experimentais realizados neste trabalho para se prever as respostas modais

Desenvolvimento de Reforços Tridimensionais por meio de Costura em Compósitos de Fibra de Carbono/Epóxi.

Desde sua concepção, os setores onde os materiais compósitos estão sendo utilizados vem crescendo gradativamente. Hoje em dia, estes materiais possuem vasta aplicação em componentes estruturais nas indústrias aeroespacial, defesa, transportes, indústria civil e de energia. Os compósitos, principalmente os de fibra de carbono/resina epóxi, apresentam excelentes propriedades no plano. Entretanto a suscetibilidade à delaminação por carregamentos fora do plano, devido à ausência de fibras orientadas na direção da espessura, ainda é uma das fraquezas destes materiais. A introdução de fibras através da direção da espessura tem potencial para aumentar as propriedades fora do plano dos materiais compósitos. Isto pode ser realizado por diferentes métodos de reforço, tais como: Z-pinning, costura simples (do inglês, Stitching) e Tufting. Este trabalho teve como objetivo desenvolver e implementar um método simplificado de aplicação de reforço através da espessura, baseado na técnica de reforço tufting, em tecidos estruturais de fibra de carbono. Foi necessário o projeto e a fabricação de um dispositivo de costura para ser integrado à uma máquina com comando numérico computacional (CNC) Router. A programação de movimentação do dispositivo foi feita em um software e esta foi baseada em uma programação de furação em código G. Sendo assim, as preformas de fibra de carbono foram reforçadas através da espessura com linhas de fibra de vidro e de poliamida 6. Para a fibra de vidro foi utilizado apenas o padrão quadrado de inserção 7mm x 7mm, enquanto que para o fio de poliamida 6 os padrões quadrados utilizados foram de 5mm x 5mm e 7mm x 7mm. A fabricação dos compósitos de fibra de carbono/epóxi com e sem reforços através da espessura e foi realizada pelo processo de infusão VARTM. As propriedades no plano dos compósitos foram avaliadas pelo ensaio de tração. Houve um decréscimo de 10% e 11% na resistência à tração e no módulo de elasticidade, respectivamente, dos compósitos reforçados com linhas de fibra de vidro em relação aos compósitos não reforçados, enquanto que os reforçados com poliamida 6 (padrão de inserção 7x7) apresentaram redução de 37% e 34% na resistência à tração e no módulo de elasticidade, respectivamente, e os reforçados com padrão de inserção 5x5 apresentaram redução de 40% e 32% na resistência à tração e no módulo de elasticidade, respectivamente, em relação aos compósitos sem reforço na direção da espessura. As propriedades fora do plano dos compósitos foram avaliadas pelo ensaio de tenacidade à fratura interlaminar em modo II, End-Notched Flexure (ENF). A presença do reforço de fibra de vidro proporcionou um aumento de 27% na resistência à delaminação em relação aos compósitos não reforçados na direção da espessura, enquanto que os compósitos reforçados com poliamida 6 não apresentaram aumentos significativos