Hoogperformante polymeer- en ductiele metaalvezels ter verbetering van de translaminaire breuktaaiheid van vezelversterkte composieten

Het gebruik van vezelversterkte composieten neemt snel toe. Deze materialen kunnen een lage dichtheid combineren met een hoge sterkte en stijfheid en bieden uitstekende eigenschappen voor lichtgewicht toepassingen. De translaminaire breuktaaiheid is een essentiële parameter die de kerfgevoeligheid en schadetolerantie van een vezelversterkte composiet bepaalt. Het bepaalt of een scheur loodrecht op de vezelrichting zal groeien, waardoor de vezels breken. De incorporatie van taaie vezels, zoals hoogperformante polymeer- en ductiele metaalvezels, in het laminaat is een veelbelovende strategie om de translaminaire breuktaaiheid te verbeteren. Er is echter slechts zeer beperkt onderzoek gedaan naar het potentieel van deze vezels om de translaminaire breuktaaiheid te verbeteren, laat staan van hun vezelhybriden. Daarom werd de translaminaire breuktaaiheid van drie hoogperformante polymeervezelcomposieten en één ductiele metaalvezelcomposiet geanalyseerd: respectievelijk polyarylaat, polybenzobisoxazol, aramide en uitgegloeide staalvezelcomposieten. Koolstofvezelcomposieten werden gebruikt als referentie en om hybriden te maken in combinatie met de taaie vezels.

Er werden compact tension tests uitgevoerd om de translaminaire breuktaaiheid van de onderzochte composieten te onderzoeken. Een nieuw layupontwerp van compact tension monsters werd gebruikt om de translaminaire breuktaaiheid van de onderzochte materialen met succes te karakteriseren. Een geschikte productietechniek was ontwikkeld om in huis de vereiste hoogwaardige, dikke laminaten met unidirectionele lagen te produceren. Verschillende ontwerpstrategieën werden onderzocht: layups met volledige lagen van een van de vezeltypes werden onderzocht om het basisgedrag van die vezel te karakteriseren (“laag monsters”), zogenaamde “strip monsters” werden getest om de barstremmende eigenschappen van de verschillende vezeltypes, en om het effect van de overgang tussen een meer en een minder compliant materiaal te bestuderen.

De polyarylaat-, polybenzobisoxazol- en uitgegloeide staalvezellaagcomposieten vertoonden stabiele scheurgroei en hoge propagatietaaiheidswaarden, een van de hoogste waarden die in de literatuur zijn geregistreerd. Uitgebreide fibrillatie van de polyarylaat- en polybenzobisoxazolvezels werd waargenomen, terwijl bij de uitgegloeide staalvezels plastische vervorming werd waargenomen. Voor deze vezels werden uittreklengtes in het bereik van 10 mm geregistreerd, wat beduidend meer was dan de 0.3 mm gemeten voor de koolstofvezels. Daarentegen vertoonden de aramidevezellaagmonsters matige prestaties. Er wordt verondersteld dat de verklaring kan worden gevonden in de mate van energiedissipatie tijdens de fibrillatie van de vezels.

De polyarylaat- en polybenzobisoxazolvezelstrips vertoonden een groot potentieel om het materiaal lokaal te versterken. De strips waren in staat om de scheurgroei significant te stoppen en waren zelfs in staat om de scheuropening te overbruggen nadat de scheurtip voorbij het stripgebied was gevorderd. Het gebruik van een strip staalvezel bleek minder succesvol om het materiaal plaatselijk te versterken vanwege de lage initiatietaaiheid van de staalvezellagen. Alle hybriden die aramidevezels bevatten presteerden slecht, wat verband hield met de matige prestaties van de aramidevezellaagmonsters.