A fully physically based explanation of the scale effect in composites

Abstract

The scale effect in composite materials is known as the delay in the appearance of damage in the weakest laminas of a laminate (typically laminas oriented at 90 degrees). The availability of ultra-thin plies, of up to 20 microns of thickness, has attracted the attention on this effect, as the use of these plies can imply the delay of the onset of damage at a laminate in a significant manner. In this work, an explanation of the scale effect is presented physically based on the identification of two damage mechanisms (called progressive and explosive) that can occur in the 90 degree lamina in laminates [0,90n]s. To characterize these damage mechanisms, energetic concepts of Finite Fracture Mechanics and Interface Crack Fracture Mechanics are used, without the need to use properties of difficult interpretations or fitting parameters. The numerical tool used is the Boundary Elements Method and models representing the micro level (fibre and matrix) and the macro level (lamina) have been developed, as well as multiscale models, which include both levels of representation. All the predictions obtained from the numerical models have been correlated with the microscopic observations acquired from the multiple experimental tests that have been carried out throughout this Thesis. This study extends from laminas of conventional thicknesses to ultra-thin thicknesses. Developing a physically based explanation of the scale effect is the first step towards identifying the parameters involved in the initiation and generation of the failure. Once identified, these parameters can be measured.

El efecto escala en materiales compuestos es conocido como el retraso en la aparición de daño en las láminas más débiles de un laminado (típicamente las láminas a 90 grados). Esta cuestión ha adquirido una enorme relevancia con la aparición de las láminas ultradelgadas, de hasta 20 micras espesor, en la idea de que su uso puede retrasar la aparición de daño en un laminado de forma muy significativa. En este trabajo se presenta una explicación del efecto escala físicamente basada en la identificación de dos mecanismos de daño (denominados progresivo y explosivo) que pueden producirse en la lámina de 90 grados en laminados [0,90n]s. Para caracterizar estos mecanismos de daño se utilizan conceptos energéticos de Mecánica de la Fractura Finita y Mecánica de la Fractura de Grietas de Interfase, sin necesidad de emplear parámetros de difícil interpretación. La herramienta numérica usada es el Método de los Elementos de contorno y se han desarrollado tanto modelos que representan el nivel micro (fibra y matriz) como el nivel macro (láminas), además de modelos multiescala, que incluyen ambos niveles de representación. Todas las predicciones obtenidas de los modelos numéricos han sido contrastadas con las observaciones microscópicas adquiridas de los múltiples ensayos experimentales que han sido realizados a lo largo de esta Tesis. Este estudio abarca desde espesores de láminas convencionales hasta espesores de láminas ultradelgadas. La obtención de una explicación físicamente basada del efecto escala es el primer paso para identificar los parámetros que intervienen en el inicio y generación del daño, que una vez identificados, podrán ser medidos.