Mecanismos de dano em laminados de carbono/epóxi sob fadiga e envelhecimento higrotérmico

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites used in aeronautic and aerospace structures are often exposed to cyclic loading and environmental effects such as temperature and humidity, which can lead to degradation and failure of the component. The objective of this work was to study the effect...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Fulco, Ana Paula Pereira
Outros Autores: Melo, José Daniel Diniz
Formato: doctoralThesis
Idioma:por
Publicado em: Brasil
Assuntos:
Compósitos
Carbono/epóxi
Envelhecimento acelerado
Propriedades mecânicas
Fadiga
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24786
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Mecanismos de dano em laminados de carbono/epóxi sob fadiga e envelhecimento higrotérmico
description Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites used in aeronautic and aerospace structures are often exposed to cyclic loading and environmental effects such as temperature and humidity, which can lead to degradation and failure of the component. The objective of this work was to study the effects of aging under exposure to temperature up to 160°C and humidity on the damage mechanisms of carbon/epoxy composites subjected to cyclic loading. Initially, a preliminary accelerated aging study was conducted with unidirectional AS4/8552 samples using an exposure cycle of 8 h of UVA-340 at 80 °C followed by 4 h of condensation at 80 °C, for a total exposure period of 2,160 h. The effects of aging were evidenced by weight loss, fiber exposure, chemical changes, increased crack density in interlaminar shear strength tests, and fiber buckling in fractured samples after compression tests, even though no significant changes mechanical properties were observed. Based on this preliminary work, a study was conducted on [02/902]s laminates of the same material, using an exposure cycle of 8 h at 160 °C followed by 4 h of 80% relative humidity at 70 °C, for a total exposure period of 2,880 h. Afterwards, stress-controlled tension-tension fatigue tests were conducted using a stress ratio R = 0.1 and frequency of 5 Hz. Composites were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Scanning Electron Microscopy (SEM) and weight change, before and after hygrothermal exposure. Samples of plain epoxy 8552 were also exposed to the same aging conditions and characterized by optical microscopy (OM), FTIR spectroscopy and weight change. Based on the fatigue life diagrams, a shift function was proposed for the prediction of number of cycles to failure of aged composites based on data from unaged specimens. The study also showed that failure by fracture may not be the best parameter to evaluate the effect of hygrothermal aging on fatigue life of carbon fiber reinforced polymer composites. Other parameters such as delamination and crack saturation are also essential to assess durability of these composites.
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The objective of this work was to study the effects of aging under exposure to temperature up to 160°C and humidity on the damage mechanisms of carbon/epoxy composites subjected to cyclic loading. Initially, a preliminary accelerated aging study was conducted with unidirectional AS4/8552 samples using an exposure cycle of 8 h of UVA-340 at 80 °C followed by 4 h of condensation at 80 °C, for a total exposure period of 2,160 h. The effects of aging were evidenced by weight loss, fiber exposure, chemical changes, increased crack density in interlaminar shear strength tests, and fiber buckling in fractured samples after compression tests, even though no significant changes mechanical properties were observed. Based on this preliminary work, a study was conducted on [02/902]s laminates of the same material, using an exposure cycle of 8 h at 160 °C followed by 4 h of 80% relative humidity at 70 °C, for a total exposure period of 2,880 h. Afterwards, stress-controlled tension-tension fatigue tests were conducted using a stress ratio R = 0.1 and frequency of 5 Hz. Composites were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Scanning Electron Microscopy (SEM) and weight change, before and after hygrothermal exposure. Samples of plain epoxy 8552 were also exposed to the same aging conditions and characterized by optical microscopy (OM), FTIR spectroscopy and weight change. Based on the fatigue life diagrams, a shift function was proposed for the prediction of number of cycles to failure of aged composites based on data from unaged specimens. The study also showed that failure by fracture may not be the best parameter to evaluate the effect of hygrothermal aging on fatigue life of carbon fiber reinforced polymer composites. Other parameters such as delamination and crack saturation are also essential to assess durability of these composites. Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de carbono utilizados em estruturas aeronáuticas e aeroespaciais estão frequentemente sujeitos à carregamentos cíclicos e condições ambientais de temperatura e umidade, que podem provocar degradação e até a falha do componente. O objetivo deste trabalho foi estudar os efeitos do envelhecimento sob exposição a temperatura até 160°C e à umidade nos mecanismos de dano de compósitos carbono/epóxi submetidos a carregamento cíclico. Um estudo preliminar de envelhecimento acelerado foi inicialmente realizado em compósitos unidirecionais AS4/8552 com ciclo exposição de 8 h de radiação UVA-340 a 80°C seguidas de 4 h de condensação a 50°C, até atingir o tempo total de 2.160 h. Os efeitos do envelhecimento do material foram evidenciados pela perda de massa, exposição das fibras, alterações químicas, aumento da densidade de trincas em testes de cisalhamento interlaminar e flambagem das fibras em amostras fraturadas em testes de compressão, embora não tenham sido observadas alterações significativas nas propriedades mecânicas do material. Com base neste trabalho preliminar, um estudo foi realizado em laminados [02/902]s do mesmo material, utilizando ciclo de exposição de 8 h a 160 ºC seguidas de 4 h com umidade relativa de 80% a 70 ºC, até atingir o tempo total de 2.880 h. Em seguida, as amostras foram submetidas a ensaios de fadiga com controle de carga, com razão de tensões R = 0,1 e frequência de 5 Hz. Os compósitos foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), análise dinâmico mecânica (DMA), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e variação de massa, antes e após a exposição higrotérmica. Amostras de epóxi puro 8552 foram também expostas as mesmas condições de envelhecimento e caracterizadas por microscopia ótica (MO), espectroscopia FTIR e variação de massa. A partir dos diagramas de vida em fadiga, uma função de deslocamento (shift) foi proposta para a previsão de número de ciclos para falha de compósitos envelhecidos com base em dados de testes de fadiga em compósitos não envelhecidos. O estudo também mostrou que a falha por fratura pode não ser o melhor parâmetro para avaliação do efeito do envelhecimento higrotérmico na vida em fadiga de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras de carbono. Outros parâmetros como delaminação e saturação de trincas são também essenciais para avaliar a durabilidade desses materiais compósitos. 2018-02-22T20:47:30Z 2018-02-22T20:47:30Z 2017-11-30 doctoralThesis FULCO, Ana Paula Pereira. Mecanismos de dano em laminados de carbono/epóxi sob fadiga e envelhecimento higrotérmico. 2017. 140f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24786 por Acesso Aberto application/pdf Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

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