Estudio del efecto escala en laminados [0,90n]s de material compuesto

Abstract

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 de espesor, en la idea de que su uso puede retrasar la aparición del daño y en algunos casos el fallo de una lámina en un laminado de forma muy significativa. En el presente trabajo se estudian los diferentes mecanismos de daño que se producen en función del espesor en la capa de 90 grados en laminados [0,90n]s a través de modelos numéricos micro- (modelando despegues de fibra-matriz) y meso-mecánicos (modelando grietas transversales en la capa de 90 grados). La herramienta numérica empleada ha sido el Método de los Elementos de Contorno. Con estos modelos numéricos se concluye que el efecto escala no está relacionado con el nivel de representación (micro o meso) del daño, sino que es una cuestión sobre cómo realmente es el daño y cómo nuestro modelo es capaz de representarlo, definiendo dos formas de generación del daño (denominadas progresiva y explosiva) en las que únicamente intervienen conceptos energéticos de Mecánica de la Fractura. Las dos formas posibles de generación del daño (explosiva y progresiva) han sido contrastadas con resultados obtenidos de numerosas campañas experimentales llevadas a cabo con el fin de detectar la aparición del daño en la capa de 90 grados en laminados [0,90n]s, obteniendo una explicación físicamente basada del efecto escala en materiales compuestos.

The scale effect in composite materials is known as the delay in the appearance of damage in the weakest lamina of a laminate (typically lamina 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 the present work the different damage mechanisms that occur as a function of the thickness in the 90 degree layer in laminates [0,90n]s are studied through micro- (modeling debonding between fibre and matrix) and meso-mechanical (modeling transverse cracks in the 90 degree layer) numerical models. The numerical tool used has been the Boundary Elements Method. With these numerical models, it is concluded that the scale effect is not related to the level of representation (micro or meso) of the damage, but it is a question about how the damage really is and how our model is capable of representing it, defining two ways of damage generation (called progressive and explosive) in which only energetic concepts of Fracture Mechanics are employed. The two possible ways of damage generation (explosive and progressive) have been supported by results obtained from numerous experimental programmes carried out in order to detect the appearance of the first damage in the 90 degree layer in laminates [0,90n]s, obtaining a physically based explanation of the scale effect in composite materials.