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Publication
The Effect of Carbon Nanofibers on the Mechanical Performance of Composite Laminates
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 7.88 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
Carbon fibre reinforced polymer composites are now widely used in various
industries/sectors of activity, replacing traditional materials due to their ease of
processing, excellent specific resistance, excellent fatigue behaviour, durability and low
specific weight. However, the development and optimisation of these materials is faced
with new challenges every day, either by optimising their properties or by changing the
paradigm in terms of energy consumption. The incorporation of nanofillers significantly
improves the mechanical response by reinforcing the polymer matrices and the
fibre/matrix interface. This improvement is due to several synergistic mechanisms
operating at the nanoscale. In addition, the dispersion of these nanoscale reinforcements
within the matrix can inhibit crack propagation and increase the resistance of the
material to deformation and fracture. At the fibre/matrix interface, nanofillers can
bridge gaps and promote stronger adhesion, resulting in more effective load transfer
between the reinforcing fibres and the surrounding polymer. The use of carbon
nanofibres (CNFs) offers advantages over other nanofillers such as graphene and carbon
nanotubes (CNTs), primarily due to their comparatively lower specific surface area,
which facilitates the implementation of accessible and cost-effective manufacturing
processes. The lower specific surface area of CNFs, in contrast to the high surface areas
of graphene and CNTs, results in reduced interparticle interactions and a lower tendency
to agglomerate. In this work, the manufacturing process and the fraction of CNFs that
maximises mechanical response, viscoelastic behaviour and impact and fracture
resistance were optimised for two commercial epoxy matrices. To assess the
improvements, an extensive static mechanical characterisation was carried out, studied
the viscoelastic behaviour in bending, interlaminar fracture, low-velocity impact, multiimpact
and residual strength and viscoelastic behaviour after impact. The results
obtained show that even with small amounts by weight of CNFs (0.5 and 0.75) added to
the epoxy resins, significant benefits were obtained, for example: improvements of more
than 10% in bending stress and bending stiffness of the matrices and laminates. As a
result, the resistance under different strain rates and the interlaminar shear strength
were higher in the additive matrices and laminates. In terms of multiple impacts and for
an impact energy of 3 J, approximately 66 - 89 impacts are required to achieve full
perforation for the nano-enhanced laminate with CNFs, whereas only 17 - 20 impacts are
required for the control laminates.
Os compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono são hoje amplamente utilizados em diversas indústrias/sectores de atividade, substituindo os materiais tradicionais devido à sua facilidade de processamento, excelente resistência específica, excelente comportamento à fadiga, durabilidade e baixo peso específico. No entanto, o desenvolvimento e otimização destes materiais depara-se todos os dias com novos desafios, quer pela otimização das suas propriedades, quer pela alteração do paradigma em termos de consumo energético. A incorporação de nano cargas melhora significativamente a resposta mecânica através do reforço das matrizes poliméricas e da interface fibra/matriz. Esta melhoria deve-se a vários mecanismos sinérgicos que operam à nanoescala. Além disso, a dispersão destes reforços à nanoescala na matriz pode inibir a propagação de fissuras e aumentar a resistência do material à deformação e à fratura. Na interface fibra/matriz, as nano cargas podem colmatar lacunas e promover uma adesão mais forte, resultando numa transferência de carga mais eficaz entre as fibras de reforço e o polímero circundante. A utilização de nanofibras de carbono (CNFs) oferece vantagens em relação a outras nanocargas, como o grafeno e os nanotubos de carbono (CNTs), principalmente devido à sua área superficial específica comparativamente mais baixa, o que facilita a implementação de processos de fabrico acessíveis e económicos. A menor área de superfície específica das CNFs, em contraste com as elevadas áreas de superfície do grafeno e dos CNTs, resulta em interações interpartículas reduzidas e numa menor tendência para a aglomeração. Neste trabalho, o processo de fabrico e a fração de CNFs que maximiza a resposta mecânica, o comportamento viscoelástico e a resistência ao impacto e à fratura foram otimizados para duas matrizes epoxídicas comerciais. Para avaliar as melhorias, foi realizada uma extensa caraterização mecânica estática, estudado o comportamento viscoelástico em flexão, fratura interlaminar, impacto a baixa velocidade, multi-impacto e resistência residual e comportamento viscoelástico após impacto. Os resultados obtidos mostram que, mesmo com pequenas quantidades em peso de CNFs (0,5 e 0,75) adicionadas às resinas epoxídicas, foram obtidos benefícios significativos, por exemplo: melhorias de mais de 10% na tensão de flexão e rigidez à flexão das matrizes e laminados. Como resultado, a resistência a diferentes taxas de deformação e a resistência ao corte interlaminar foram maiores nas matrizes e laminados aditivados. Em termos de multiimpacto e para uma energia de impacto de 3 J, são necessários cerca de 66 - 89 impactos para obter a perfuração total do laminado nano-reforçado com CNFs, ao passo que são necessários apenas 17 - 20 impactos para os laminados de controlo.
Os compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono são hoje amplamente utilizados em diversas indústrias/sectores de atividade, substituindo os materiais tradicionais devido à sua facilidade de processamento, excelente resistência específica, excelente comportamento à fadiga, durabilidade e baixo peso específico. No entanto, o desenvolvimento e otimização destes materiais depara-se todos os dias com novos desafios, quer pela otimização das suas propriedades, quer pela alteração do paradigma em termos de consumo energético. A incorporação de nano cargas melhora significativamente a resposta mecânica através do reforço das matrizes poliméricas e da interface fibra/matriz. Esta melhoria deve-se a vários mecanismos sinérgicos que operam à nanoescala. Além disso, a dispersão destes reforços à nanoescala na matriz pode inibir a propagação de fissuras e aumentar a resistência do material à deformação e à fratura. Na interface fibra/matriz, as nano cargas podem colmatar lacunas e promover uma adesão mais forte, resultando numa transferência de carga mais eficaz entre as fibras de reforço e o polímero circundante. A utilização de nanofibras de carbono (CNFs) oferece vantagens em relação a outras nanocargas, como o grafeno e os nanotubos de carbono (CNTs), principalmente devido à sua área superficial específica comparativamente mais baixa, o que facilita a implementação de processos de fabrico acessíveis e económicos. A menor área de superfície específica das CNFs, em contraste com as elevadas áreas de superfície do grafeno e dos CNTs, resulta em interações interpartículas reduzidas e numa menor tendência para a aglomeração. Neste trabalho, o processo de fabrico e a fração de CNFs que maximiza a resposta mecânica, o comportamento viscoelástico e a resistência ao impacto e à fratura foram otimizados para duas matrizes epoxídicas comerciais. Para avaliar as melhorias, foi realizada uma extensa caraterização mecânica estática, estudado o comportamento viscoelástico em flexão, fratura interlaminar, impacto a baixa velocidade, multi-impacto e resistência residual e comportamento viscoelástico após impacto. Os resultados obtidos mostram que, mesmo com pequenas quantidades em peso de CNFs (0,5 e 0,75) adicionadas às resinas epoxídicas, foram obtidos benefícios significativos, por exemplo: melhorias de mais de 10% na tensão de flexão e rigidez à flexão das matrizes e laminados. Como resultado, a resistência a diferentes taxas de deformação e a resistência ao corte interlaminar foram maiores nas matrizes e laminados aditivados. Em termos de multiimpacto e para uma energia de impacto de 3 J, são necessários cerca de 66 - 89 impactos para obter a perfuração total do laminado nano-reforçado com CNFs, ao passo que são necessários apenas 17 - 20 impactos para os laminados de controlo.
Description
Keywords
Epóxi nano-reforçado Nanofibras de carbono Laminados de fibra de carbono nanoreforçados Taxa de deformação por flexão Relaxamento de tensões e fluência Fratura interlaminar Impacto de baixa velocidade Mecanismo de dano Nano-reinforced epoxy Carbon nanofibres Nano-reinforced carbon fibre laminates Bending strain rate Stress relaxation and creep Interlaminar fracture Low-velocity impact Damage mechanism