Tenacidade à fratura modos I e II em compósitos de carbono/epóxi processados por enrolamento filamentar

Abstract

Laminados poliméricos reforçados com fibra de carbono apresentam excelentes propriedades mecânicas no plano, entretanto sua resistência interlaminar é baixa devido à fraca resistência na direção da espessura. Este trabalho foca na caracterização mecânica do material, em suas propriedades no plano e, principalmente, nas tenacidade à fratura interlaminar Modos I e II, onde as características foram avaliadas em amostras com fibras em diferentes ângulos de orientação e com ou sem condicionamento higrotérmico. Para a produção dos laminados, utilizou-se o método de enrolamento filamentar com um mandril retangular plano. Corpos de prova para os ensaios de double cantilever beam e end-notch flexure foram produzidos e ensaiados seguindo as orientações das normas ASTM D5528 e ASTM D7905, respectivamente. Análises fractográficas foram feitas constatando fraturas características condizentes com cada modo de falha. Constatou-se um comportamento de fratura característico de estruturas frágeis para as amostras 0° não-condicionadas. Para as amostras 0° condicionadas, notou-se uma influência significativa da temperatura de condicionamento, e para o Modo I observou-se um aumento de quase 2 vezes na energia de fratura (𝐺𝐼𝑐 𝑉𝑖𝑠) para as amostras condicionadas em água a 70 °C, atribuído principalmente à plastificação da matriz. Amostras double cantilever beam e end-notch flexure foram condicionadas à temperatura ambiente apresentaram baixa absorção de água, portanto com pouca diferença em relação às amostras não-condicionadas. Para o Modo II de fratura, as observações são similares, no entanto houve um decréscimo na energia para amostras condicionadas em água a 70 °C. Amostras anguladas apresentaram baixa resistência à flexão, sendo possível somente averiguar as com ângulos de fibras de ±15°, as quais apresentaram pouca mudança nas energias de fratura. Sendo assim verificou-se a temperatura de condicionamento como principal fator de influência nos parâmetros fractomecânicos, pois promove absorção de umidade, podendo resultar na degradação e plastificação da matriz do material compósito.

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminates have excellent in-plane mechanical properties, however their interlaminar strength is low due to the lack of resistance in the thickness direction. This work focuses on the material mechanical characterization, its in-plane properties and, mainly, on the interlaminar fracture toughness Modes I and II, where the properties were evaluated in samples with fibers at different orientation angles and with or without hygrothermal conditioning. For the laminates manufacturing, the filament winding method with a flat rectangular mandril was used. Specimens for the double cantilever beam and end-notch flexure tests were produced and tested following the ASTM D5528 and ASTM D7905 standards, respectively. Fractographic analyses were performed verifying characteristic fractures consistent with each failure mode. A characteristic fragile fracture behavior was found for the 0° non-conditioned samples. For the 0° conditioned samples, a significant influence of the conditioning temperature was observed, and for Mode I there was an increase of 175% in strain energy release rate (𝐺𝐼𝑐 𝑉𝑖𝑠) for samples conditioned in water at 70 °C, mainly attributed to matrix plasticization. double cantilever beam and end-notch flexure samples conditioned at room temperature showed low water absorption, therefore with little difference in relation to non-conditioned samples. For interlaminar fracture toughness Mode II, a similar behavior was found, however there was a decrease in SERR for water-conditioned samples at 70 °C. Angled samples showed a lack of bending resistance, being possible only to verify those with angles of ±15°, which showed little change in fracture energies. Thus, it was found that the conditioning temperature was the main factor of influence on fractomechanical parameters because it promotes moisture absorption, degradation, and plasticization of the composite material matrix.