Fiberförstärkta kompositer används i stor utsträckning inom flyg- och andra högteknologiska industrier. Att förstå hur deras mikrostruktur och styrkan hos fibermatrisgränssnittet påverkar deras felegenskaper kan leda till tillverkning av starkare material. En ny studie vid University of Illinois i Urbana-Champaign utvecklade en modell för att identifiera känsligheten för tvärgående sprickbildning, en av de viktigaste felprocesserna i kompositlaminat, om detaljer om den sammansatta mikrostrukturen.

Kompositlaminat som används i rymdapplikationer är vanligtvis gjorda av lager av kolfibrer med varierande orienteringar inbäddade i epoxi. Till exempel, kompositlaminatet kan vara sammansatt av ett kol/epoxiskikt med fibrerna orienterade i 90-graders riktning inklämt mellan två 0-graders lager. Fibrerna är vardera cirka sju mikron i diameter, eller ungefär en sjundedel av tjockleken på ett människohår.

"Vi vet från experiment som sprickor sprider sig tvärs över 90-gradersplanet, sluta sedan när de når gränssnitten med 0-graderskikten. Så vi utvecklade en metod som gör att vi kan simulera hundratals fibrer i ett realistiskt system och studera hur felsvaret påverkas om vi ändrar platsen för en enda fiber eller för många fibrer, eller styrkan i gränssnittet, "sa Philippe Geubelle, professor vid Institutionen för rymdteknik.

I denna nya metod, optiska mikrografier tas av 90-gradersskiktet och platsen för alla fibrerna extraheras för att konstruera en realistisk beräkningsmodell av skiktet. Liknande studier har begränsats till tiotals fibrer.

"Med den speciella finite element-metoden har vi utvecklat för att simulera tvärgående sprickbildning av 90-gradersskiktet, vi kan simulera hundratals fibrer, "Sa Geubelle." Det mesta vi har gjort hittills är nära tre, 000 fibrer. "

"Eftersom sprickan främst sprider sig längs fiber-matrisgränssnitten, vår modell betonar det sammanhängande misslyckandet i dessa gränssnitt, "sa han." Dessutom vi har utvecklat förmågan att effektivt extrahera känsligheten hos felhändelsen med avseende på mikrostrukturens egenskaper inklusive fibrernas placering och storlek, och felegenskaperna hos fibermatrisgränssnittet. Vi kan också beräkna känsligheten för felhändelsen med avseende på parametrarna (genomsnitt, standardavvikelse, etc.) som definierar fördelningen av dessa mikrostrukturella parametrar. "

Modellen valideras mot experimentella observationer utförda i prof. Nancy Sottos grupp vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of Illinois.

"Självklart, du kan få dessa känsligheter experimentellt, med alla tänkbara variationer, för att se vad effekten har på felhändelsen, "Sa Geubelle." Att göra detta numeriskt är mycket mer effektivt. "

Studien, "Tvärgående misslyckande i enriktade kompositer:känslighet för gränssnittsegenskaper, " Integrerad beräkningsmaterialsteknik .