Static and fatigue interlaminar shear reinforcement in aligned carbon nanotube-reinforced hierarchical advanced composites

材料科学 复合材料 碳纳米管 断裂韧性 韧性 环氧树脂 消散 疲劳极限 剪切(地质) 断裂(地质) 热力学 物理
作者
Xinchen Ni,Carolina Furtado,Estelle Kalfon‐Cohen,Yue Zhou,Gabriel A. Valdes,Travis J. Hank,P.P. Camanho,Brian L. Wardle
出处
期刊:Composites Part A-applied Science and Manufacturing [Elsevier BV]
卷期号:120: 106-115 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.compositesa.2019.02.023
摘要

High densities (>10 billion fibers per cm2) of aligned carbon nanotubes (A-CNTs) are used to reinforce the interlaminar resin-rich region of aerospace-grade unidirectional carbon microfiber plies in a hierarchical carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminate architecture. Such nano-engineered interfaces have been shown to increase interlaminar fracture toughness and substructural in-plane strengths, and here we show a 115% average increase in fatigue life across all load levels (60–90% of static strength), with a larger increase of 249% in high-cycle (at 60% of static strength) fatigue, despite no statistically significant increase in static strength. These findings are in agreement with a numerical damage progression model developed to simulate both interlaminar and intralaminar damage in the laminates, which shows the relative insensitivity of short-beam shear (SBS) strength to the enhancement of interlaminar fracture toughness, e.g., a 50% increase in interlaminar toughness yields an SBS strength increase of less than 20%. Consistent with observations of other CNT-reinforced epoxy architectures, larger improvements in fatigue life are noted in low-stress regimes (e.g., high-cycle fatigue) vs. in high-stress regimes (e.g., static and low-cycle fatigue), indicating a transition in dominant mechanisms from high-energy dissipation caused by CNT pullout to low-energy dissipation caused by CNT fracture as stress increases.
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