Les composites renforcés de fibres sont largement utilisés dans l'aérospatiale et d'autres industries de haute technologie. Comprendre comment leur microstructure et la résistance des interfaces fibre-matrice affectent leurs propriétés de défaillance peut conduire à la fabrication de matériaux plus résistants. Une étude récente à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a développé un modèle pour identifier les sensibilités de la fissuration transversale, l'un des processus de défaillance clés présents dans les stratifiés composites, sur les détails de la microstructure composite.

Les stratifiés composites utilisés dans les applications aérospatiales sont généralement constitués de couches de fibres de carbone avec des orientations variables intégrées dans de l'époxy. Par exemple, le stratifié composite peut être composé d'une couche de carbone/époxy avec les fibres orientées à 90 degrés prises en sandwich entre deux plis à 0 degré. Les fibres ont chacune un diamètre d'environ sept microns, ou environ un septième de l'épaisseur d'un cheveu humain.

"Nous savons par des expériences que les fissures se propagent transversalement à travers le plan à 90 degrés, puis s'arrêtent lorsqu'ils atteignent les interfaces avec les plis à 0 degré. Nous avons donc développé une méthode qui nous permet de simuler des centaines de fibres dans un système réaliste et d'étudier comment la réponse à la défaillance est affectée si nous changeons l'emplacement d'une seule fibre ou de plusieurs fibres, ou la force de l'interface, " a déclaré Philippe Geubelle, professeur au Département de génie aérospatial.

Dans cette nouvelle méthode, des micrographies optiques sont prises du pli à 90 degrés et l'emplacement de toutes les fibres est extrait pour construire un modèle informatique réaliste du pli. Des études similaires ont été limitées à des dizaines de fibres.

"Avec la méthode spéciale des éléments finis que nous avons développée pour simuler la fissuration transversale du pli à 90 degrés, nous pouvons simuler des centaines de fibres, " a déclaré Geubelle. " Le plus que nous avons fait jusqu'à présent est proche de 3, 000 fibres."

« Parce que la fissure se propage principalement le long des interfaces fibre-matrice, notre modèle met l'accent sur la rupture cohésive de ces interfaces, " dit-il. " De plus, nous avons développé la capacité d'extraire efficacement la sensibilité de l'événement de défaillance par rapport aux propriétés de la microstructure, y compris l'emplacement et la taille des fibres, et les propriétés de défaillance des interfaces fibre-matrice. On peut aussi calculer la sensibilité de l'événement de défaillance par rapport aux paramètres (moyenne, écart-type, etc.) qui définissent la distribution de ces paramètres microstructuraux."

Le modèle est validé par rapport à des observations expérimentales réalisées dans le groupe du professeur Nancy Sottos du Département de science et génie des matériaux de l'Université de l'Illinois.

"Bien sûr, vous pourriez obtenir ces sensibilités expérimentalement, avec toutes les variations imaginables, pour voir quel est l'effet sur l'événement de défaillance, " a déclaré Geubelle. " Faire cela numériquement est beaucoup plus efficace. "

L'étude, "Défaillance transversale des composites unidirectionnels :sensibilité aux propriétés interfaciales, " Ingénierie informatique intégrée des matériaux .