Testing and analysis of composites with 3D woven reinforcement
Tid: On 2023-11-29 kl 10.00
Plats: D2, Lindstedtsvägen 5, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Farkostteknik
Licentiand: Tomas Ekermann , Lättkonstruktioner, Farkostteknik och Solidmekanik
Granskare: Associate Professor Lars Pilgaard Mikkelsen, Technical University of Denmark
Huvudhandledare: Malin Åkermo, Lättkonstruktioner, Farkost- och flygteknik, Farkostteknik och Solidmekanik; Stefan Hallström, Lättkonstruktioner, Flygteknik, Lättkonstruktioner
QC 231106
Abstract
Kompositer med tredimensionell (3D) armering har flera fördelar jämfört med laminerade kompositer. Deras fibrer genom tjockleken ökar ut-ur-planet-egenskaperna avsevärt och kan eliminera problem med delaminering. Dessa kompositer har också visat sig ha stor skadetolerans och energiabsorption. Men deras komplexa fiberarkitektur gör det svårt att förutsäga deras mekaniska respons och prestanda.
I denna avhandling utforskas olika aspekter av kompositer med 3D vävd armering. Fokus ligger på en specifik 3D vävd armeringsarkitektur, där varpen är sammanflätad med både horisontell och vertikal väft. Upptäckterna är dock inte bara begränsade till den specifika 3D-armeringen utan kan i viss mån även tillämpas på 3D-armering i allmänhet.
I arbetet har 3D-vävar tillverkats och impregnerats med epoxi. Dessa undersöktes sedan mycket detaljerat med datortomografi (CT) för att studera den interna armeringsarkitekturen efter impregnering. Analysen visade att trådarna var markant distorderade av kompressionen genom tjockleken vid impregneringen. Distortionen tillskrevs den relativt glesa väven, som inte hade förmåga att stödja vertikalväften tillräckligt, som därför snedställts och därmed också distorderar de överiga trådarna. En simuleringsmodell av det tillverkade materialets inre geometri utvecklades parallellt. Simuleringsmodellen var dock inte utformad för att inkludera de distortioner som uppstår i det fysiska materialet.
Det tillverkade materialet och dess motsvarande modell testades sedan i en dragprovsuppställning. Två olika tjocklekar av materialet tillverkades samt en motsvarande komposit med tvådimensionell (2D) armering. Resultaten visade att materialet med 2D-armering var styvare och starkare än de med 3D-armering, vilket tillskrevs den lägre vågigheten i 2D-armeringen. En skillnad i styvhet mellan de två 3D-vävarna hittades också, vilket tillskrevs den större kvot ytskikt i den tunnare väven som bidrar med ökad styvhet i varpriktningen då vertikalväften på ytan är i linje med den riktningen. Brottanalys av prover som testats i varpriktningen visade att initiala sprickor bildas i gränsskiktet mellan vertikalväft och matris, nära ytan på kompositen. För prover som testats i den horisontella väftriktningen hittades initiala sprickor genom vertikalväften vid ytorna. Båda dessa upptäckter bekräftades av resultaten från simuleringarna.
En applikation för kompositer med 3D-vävd armering undersöktes också, där den integrerades som ”noodle” i ett T-förband av kompositlaminat. Syftet här var att göra en 3D-armerad ”noodle”, med låg transversell termisk expansion som skulle minska restspänningarna i ”noodle” efter härdning. T-förband med konventionella ”noodles” och ”noodles” med 3D-vävd armering tillverkades och testades i en dragprovsuppställning. Resultaten visade att T-förband med konventionella ”noodles” hade högre hållfasthet, men också högre spridning, än de med 3D-armering. Den högre hållfastheten hos T-förband med konventionella ”noodles” tillskrevs deras bättre förmåga att anpassa sig till T-förbandets hålighet, medan passformen inte var lika bra för 3D-”noodles”. Den lägre spridningen i hållfasthet hos T-förband den med 3D-”noodles” antas komma från att de är mindre känsliga för defekter i ”noodle”.