Out of autoclave manufacturing of CFRPs having multiscale reinforcement for improved interlaminar fracture toughness and multifunctional characteristics

Abstract

Carbon fiber reinforced polymer (CFRPs) composites are increasingly used as advancedmaterials in many structural applications i.e. aerospace, automotive, marine etc. due totheir superior in-plane mechanical properties, high specific strength and stiffness andcorrosion resistance compared to conventional metals. However, during their service life,these composite materials due to their laminated structure appear poor out-of-planeproperties due to the absence of through-thickness reinforcement. Additionally, their lowpolymer matrix toughness leads to interlaminar failures such as delamination. Delaminations as a primary failure mode are resulted either from fatigue loadings or low velocity impact which are caused by the extension of multiple matrix cracks. Therefore, composites are highly susceptible to impact damage due to brittle matrix behaviour and poor impact damage tolerance. In light of this issue, the introduction of carbon nanoparticles and especially carbon nanotubes into the matrix of composites has shown considerable improvement on the fracture behaviour of the composites by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance. Several attempts have been developed for enhancing the fracture toughness and damage tolerance of fibre-reinforced polymers such as stitching particles. Towards this direction, the use of nanoparticles and especially carbon nanotubes (CNTs) into the matrix results in the development of composites with multi-scale reinforcement. CNTs are highly potential fillers due to their extraordinary mechanical,electrical and thermal properties. The nano-phase improves the fracture behaviour of composites by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance characteristics. However, adirect introduction of CNTs into matrix (mainly in high CNTs concentrations) leads to increase of resin’s viscosity and an uneven nanofiller distribution and/or filtering effects that block the resin close to the inlet gates. This difficulty makes almost impossible thedirect introduction of CNTs during Out-of-Autoclave (OoA) processes such as liquid resin infusion (LRI) or resin transfer molding (RTM).The present Dissertation aims to the development of Out-of-Autoclave Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRPs) with improved interlaminar fracture toughness and damage tolerance characteristics by the introduction of carbon nanotubes and nano-doped nonwoven interleaf veils on the surface of the main reinforcement (carbon fabrics). More precisely, the deposition of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) into the structure of CFRPs has been succeeded by using a liquid CNT-enriched sizing agent solution for the pretreatment of main reinforcement prior or after the carbon fabric preform. In addition,the introduction of the copolyamide (Nylon-66, 6/11/12, Griltex 1516A) nonwoven veils enhanced with CNTs (max concentration of 2.5 %wt. MWCNTs) as interleaf materials into the structure of CFRPs was performed as an alternative route of introduction ofcarbon nanotubes between the carbon fabrics).

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για ελαφρές κατασκευές κυρίως στον τομέα της αεροπορικής βιομηχανίας οδήγησαν στη χρήση νέων σύνθετων υλικών (composite materials). Το κυριότερο πλεονέκτημα τους σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μεταλλικά υλικά είναι οι υψηλές ειδικές τιμές αντοχής και δυσκαμψίας, καθώς και η βελτιωμένη συμπεριφορά τους σε κόπωση και διάβρωση. Τα σύνθετα υλικά, όταν εκτίθενται στα φορτία λειτουργία των κατασκευών, εμφανίζουν υποβάθμιση (degradation) των μηχανικών τους ιδιοτήτων και εμφανίζουν βλάβες που μπορούν να οδηγήσουν στην αστοχία της κατασκευής. Οι πιο συνήθεις αστοχίες στα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας είναι η ανάπτυξη μικρο-ρωγμών στη μήτρα (matrix cracks) των στρώσεων του πολυστρώτου ΣΥ. Συνδυαζόμενες οι μικρο-ρωγμές διαφορετικών στρώσεων δημιουργούν διαστρωματικές αποκολλήσεις, η διάδοση των οποίων οδηγεί στην υποβάθμιση του συνθέτου υλικού και υπό προϋποθέσεις στην αστοχία του. Οι διαστρωματικές αποκολλήσεις αναπτύσσονται σε σχετικά χαμηλά φορτία και διαδίδονται λόγω της μικρής αντίστασης στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων που εμφανίζουν τα ΣΥ πολυμερούς μήτρας. Επομένως βασικός στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη συνθέτων υλικών με αυξημένη αντίσταση στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων. Την τελευταία δεκαετία έχει παρατηρηθεί ότι η εισαγωγή νανο-σωματιδίων άνθρακα στη μήτρα των συνθέτων υλικών βελτιώνει σημαντικά τη διαστρωματική θραυστο-μηχανική συμπεριφορά ων ΣΥ, εισάγοντας συμπληρωματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ενέργειας κατά τη θραύση, και βελτιώνοντας την ανοχή σε βλάβη των κατασκευών από ΣΥ. Η μεθοδολογία αυτή έχει εφαρμοστεί στις περιπτώσεις πολύστρωτων συνθέτων υλικών που κατασκευάζονται με τη μέθοδο του αυτόκλειστου φούρνου με βασική δομική μονάδα του ΣΥ τη στρώση μονοδιεύθυντης ενίσχυσης (prepreg).Η εισαγωγή νανο-σωματιδίων στη δομή ΣΥ που παράγονται με μεθόδους εκτός αυτόκλειστου φούρνου (τεχνικές έγχυσης ρητίνης σε καλούπι σταθερού ή μεταβλητού όγκου) έχει αποδειχθεί προβληματική. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, στη μέθοδο έγχυσης του νανο-τροποποιημένου πολυμερούς με τη χρήση της τεχνικής LRI, έχει παρατηρηθεί αύξηση του ιξώδους τηε ρητίνης λόγω της παρουσίας των νανο-σωματιδίων, κυρίως σε υψηλές περιεκτικότητες. Τα νανοσωματίδια φιλτράρονται από την πορώδη ενίσχυση, μπλοκάρουν το πορώδες και το σύστημα λειτουργεί ως εμπόδιο στη ροή της ρητίνης (block effects) μέσα στη δομή της ινώδους ενίσχυσης (fibre preform). Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν δομικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών άνθρακα (carbon fibre) τροποποιημένων με πολυφλοιικούς νανο-σωλήνες άνθρακα (MWCNTs). Επίσης έγινε προσπάθεια τα MWCNTs να εισαχθούν στη δομή του ΣΥ εμμέσως μέσω της χρήσης λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο (interleaf veils) με ενίσχυση με νανοσωλήνες άνθρακα. Η εισαγωγή των nano-veils έγινε σε συγκεκριμένες θέσεις ανάμεσα στις στρώσεις της πολύστρωτης πλάκας. Τα nano-veils αποτελούντα από συμπολυμερές πολυαμίδιο PA6/6,6 και έχουν τη μορφή non-woven interleaf veils. Η εμπορική ονομασία του συμπολυμερούς πολυαμιδίου που χρησιμοποιήθηκε για τα veils είναι Griltex D 1516A COPOLYAMIDE της εταιρίας EMS-GRILTECH. Το υλικό πριν τη μορφοποίηση του σε μορφή νανο-ινών του και το σχηματισμό των non-woven interleaf veils ενισχύθηκε με πολυφλυικούς νανο-σωλήνες άνθρακα σε περιεκτικότητα 2.5 %κ.β. Σε όλες τις περιπτώσεις ως υλικό της μήτρας του ΣΥ χρησιμοποιήθηκε ένα εποξειδικό σύστημα τριών συστατικών που διαθέτει υψηλή τιμή θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Τg=140-150oC) καθώς και υψηλές μηχανικές ιδιότητες.