Published February 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Mode-I fracture toughness of hygrothermally aged curved filament-wound carbon and glass fibre composites

Creators

  • 1. Universidade Federal do Rio Grande do Sul
  • 2. Queen's University Belfast
  • 3. University of L'Aquila

Description

This work aims to assess the effect of hygrothermal ageing on the Mode-I fracture toughness behaviour of glass/epoxy and carbon/epoxy composite structures manufactured by filament winding. Cylinders (136 mm in diameter) are manufactured using various winding angles (±0°, ±15°, ±30° and ± 45°), and the specimens are aged in water at room temperature and 70 °C. Water uptake was monitored until equilibrium, which varies with the material, temperature, and winding angle, being the highest for the ± 45° sample, reaching 1.10 % for glass/epoxy and 1.74 % for carbon/epoxy at room temperature, and 1.30 % and 2.95 % at 70 °C. These results are related to the void content, which is 3.20 % and 3.41 %, respectively. Glass/epoxy composites show superior performance in terms of peak load and strain energy release rate, but carbon/epoxy shows higher fracture toughness for the same winding angle and ageing. Specimens aged at room temperature are less prone to delamination than those at 70 °C. In addition, aged samples at room temperature show higher peak force and strain energy release rates compared to non-aged composites, which is attributed to matrix plasticisation. Samples aged in hot water have poorer behaviour compared to those non-aged or aged at room temperature. The curved double cantilever beam (CDCB) samples have more complex fracture mechanisms compared to flat samples, attributed to their curvature and difficulty in keeping symmetry throughout the test.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يهدف هذا العمل إلى تقييم تأثير الشيخوخة الحرارية الرطبة على سلوك صلابة الكسر في الوضع الأول لهياكل الزجاج/الإيبوكسي والكربون/الإيبوكسي المركبة المصنعة بواسطة لف الخيوط. يتم تصنيع الأسطوانات (بقطر 136 مم) باستخدام زوايا لف مختلفة (±0درجة، ±15درجة، ±30درجة و ± 45درجة)، ويتم تقادم العينات في الماء عند درجة حرارة الغرفة و 70 درجة مئوية. تمت مراقبة امتصاص الماء حتى التوازن، والذي يختلف باختلاف المادة ودرجة الحرارة وزاوية اللف، وهو الأعلى لعينة ± 45درجة، حيث يصل إلى 1.10 ٪ للزجاج/الإيبوكسي و 1.74 ٪ للكربون/الإيبوكسي في درجة حرارة الغرفة، و 1.30 ٪ و 2.95 ٪ عند 70 درجة مئوية. ترتبط هذه النتائج بالمحتوى الفارغ، وهو 3.20 ٪ و 3.41 ٪ على التوالي. تُظهر مركبات الزجاج/الإيبوكسي أداءً فائقًا من حيث ذروة الحمل ومعدل إطلاق طاقة الإجهاد، لكن الكربون/الإيبوكسي يُظهر صلابة أعلى للكسر لنفس زاوية اللف والتقادم. العينات التي تبلغ من العمر في درجة حرارة الغرفة أقل عرضة للفصل من تلك الموجودة عند 70 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر العينات القديمة في درجة حرارة الغرفة معدلات أعلى لقوة الذروة وإطلاق طاقة الإجهاد مقارنة بالمركبات غير القديمة، والتي تُعزى إلى اللدونة المصفوفية. العينات التي تبلغ من العمر في الماء الساخن لها سلوك أسوأ مقارنة بالعينات التي لا تبلغ من العمر أو التي تبلغ من العمر في درجة حرارة الغرفة. تحتوي عينات شعاع الكابولي المزدوج المنحني (CDCB) على آليات كسر أكثر تعقيدًا مقارنة بالعينات المسطحة، ويعزى ذلك إلى انحنائها وصعوبة الحفاظ على التماثل طوال الاختبار.

Translated Description (French)

Ce travail vise à évaluer l'effet du vieillissement hygrothermique sur le comportement à la rupture Mode I des structures composites verre/époxy et carbone/époxy fabriquées par enroulement filamentaire. Les cylindres (136 mm de diamètre) sont fabriqués en utilisant différents angles d'enroulement (±0°, ±15°, ±30° et ± 45°), et les échantillons sont vieillis dans l'eau à température ambiante et 70 °C. L'absorption d'eau a été surveillée jusqu'à l'équilibre, qui varie avec le matériau, la température et l'angle d'enroulement, étant le plus élevé pour l'échantillon de ± 45°, atteignant 1,10 % pour le verre/époxy et 1,74 % pour le carbone/époxy à température ambiante, et 1,30 % et 2,95 % à 70 °C. Ces résultats sont liés à la teneur en vides, qui est respectivement de 3,20 % et 3,41 %. Les composites verre/époxy présentent des performances supérieures en termes de charge de pointe et de taux de libération d'énergie de déformation, mais le carbone/époxy présente une plus grande ténacité à la rupture pour le même angle d'enroulement et le même vieillissement. Les échantillons vieillis à température ambiante sont moins sujets au délaminage que ceux à 70 °C. En outre, les échantillons vieillis à température ambiante montrent des taux plus élevés de force de crête et de libération d'énergie de déformation par rapport aux composites non vieillis, ce qui est attribué à la plastification de la matrice. Les échantillons vieillis à l'eau chaude ont un comportement plus faible que ceux non vieillis ou vieillis à température ambiante. Les échantillons à double poutre en porte-à-faux incurvée (CDCB) ont des mécanismes de fracture plus complexes que les échantillons plats, attribués à leur courbure et à la difficulté de maintenir la symétrie tout au long du test.

Translated Description (Spanish)

Este trabajo tiene como objetivo evaluar el efecto del envejecimiento higrotérmico en el comportamiento de la tenacidad a la fractura en Modo I de las estructuras compuestas de vidrio/epoxi y carbono/epoxi fabricadas mediante devanado de filamentos. Los cilindros (136 mm de diámetro) se fabrican utilizando varios ángulos de bobinado (±0°, ±15°, ±30° y ± 45°), y las muestras se envejecen en agua a temperatura ambiente y 70 ° C. La absorción de agua se monitoreó hasta el equilibrio, que varía con el material, la temperatura y el ángulo de bobinado, siendo el más alto para la muestra de ± 45°, alcanzando 1.10% para vidrio/epoxi y 1.74% para carbono/epoxi a temperatura ambiente, y 1.30% y 2.95% a 70°C. Estos resultados están relacionados con el contenido de vacíos, que es del 3,20 % y 3,41 %, respectivamente. Los compuestos de vidrio/epoxi muestran un rendimiento superior en términos de carga máxima y tasa de liberación de energía de deformación, pero el carbono/epoxi muestra una mayor tenacidad a la fractura para el mismo ángulo de bobinado y envejecimiento. Las muestras envejecidas a temperatura ambiente son menos propensas a la delaminación que las de 70 °C. Además, las muestras envejecidas a temperatura ambiente muestran mayores tasas de fuerza máxima y liberación de energía de deformación en comparación con los materiales compuestos no envejecidos, lo que se atribuye a la plastificación de la matriz. Las muestras envejecidas en agua caliente tienen un comportamiento más pobre en comparación con las no envejecidas o envejecidas a temperatura ambiente. Las muestras de viga doble voladiza curva (CDCB) tienen mecanismos de fractura más complejos en comparación con las muestras planas, atribuidos a su curvatura y dificultad para mantener la simetría durante todo el ensayo.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الوضع الأول: صلابة الكسر لمركبات ألياف الكربون والألياف الزجاجية المنحنية ذات العمر الحراري الرطب
Translated title (French)
Résistance à la rupture en mode I des composites de fibres de verre et de carbone enroulés par filaments courbes vieillis par voie hygrothermique
Translated title (Spanish)
Dureza a la fractura Modo I de materiales compuestos de fibra de vidrio y carbono enrollados en filamentos curvos envejecidos higrotérmicamente

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4392245160
DOI
10.1016/j.engfailanal.2024.108172

Is supplement to
https://openalex.org/W4245198392 (Other)
https://openalex.org/W2969282441 (Other)
https://openalex.org/W2605267305 (Other)
https://openalex.org/W2468327035 (Other)
https://openalex.org/W2379854107 (Other)
https://openalex.org/W2326863753 (Other)
https://openalex.org/W2164306063 (Other)
https://openalex.org/W2109844607 (Other)
https://openalex.org/W1990920654 (Other)
https://openalex.org/W1988283651 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1671657555
  • https://openalex.org/W1968857091
  • https://openalex.org/W1994571186
  • https://openalex.org/W1994677279
  • https://openalex.org/W1997802191
  • https://openalex.org/W2056723753
  • https://openalex.org/W2067845008
  • https://openalex.org/W2069383230
  • https://openalex.org/W2076295544
  • https://openalex.org/W2078737390
  • https://openalex.org/W2257932898
  • https://openalex.org/W2323453923
  • https://openalex.org/W2470207655
  • https://openalex.org/W2523859517
  • https://openalex.org/W2765259812
  • https://openalex.org/W2794878093
  • https://openalex.org/W2954369021
  • https://openalex.org/W3002363735
  • https://openalex.org/W3006913169
  • https://openalex.org/W3021570362
  • https://openalex.org/W3036260807
  • https://openalex.org/W3091517959
  • https://openalex.org/W3116313618
  • https://openalex.org/W3133261252
  • https://openalex.org/W3187914655
  • https://openalex.org/W3193306349
  • https://openalex.org/W4212791107
  • https://openalex.org/W4220805173
  • https://openalex.org/W4284964613
  • https://openalex.org/W4315777188
  • https://openalex.org/W4328100440
  • https://openalex.org/W4378839517
  • https://openalex.org/W4385566210