I compositi rinforzati con fibre sono ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale e in altri settori ad alta tecnologia. Comprendere come la loro microstruttura e la resistenza delle interfacce fibra-matrice influenzino le loro proprietà di rottura può portare alla produzione di materiali più resistenti. Un recente studio presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha sviluppato un modello per identificare le sensibilità della fessurazione trasversale, uno dei principali processi di guasto presenti nei laminati compositi, sui dettagli della microstruttura composita.

I laminati compositi utilizzati nelle applicazioni aerospaziali sono generalmente costituiti da strati di fibre di carbonio con orientamenti variabili incorporati in resina epossidica. Per esempio, il laminato composito può essere composto da uno strato di carbonio/epossidico con le fibre orientate nella direzione di 90 gradi racchiuse tra due strati di 0 gradi. Le fibre sono ciascuna di circa sette micron di diametro, o circa un settimo dello spessore di un capello umano.

"Sappiamo da esperimenti che le crepe si propagano trasversalmente attraverso il piano di 90 gradi, poi si fermano quando raggiungono le interfacce con gli strati a 0 gradi. Quindi abbiamo sviluppato un metodo che ci permette di simulare centinaia di fibre in un sistema realistico e studiare come viene influenzata la risposta al guasto se cambiamo la posizione di una singola fibra o di molte fibre, o la forza dell'interfaccia, " disse Philippe Geubelle, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale.

In questo nuovo metodo, vengono prese micrografie ottiche dello strato a 90 gradi e la posizione di tutte le fibre viene estratta per costruire un modello computazionale realistico dello strato. Studi simili sono stati limitati a decine di fibre.

"Con lo speciale metodo degli elementi finiti che abbiamo sviluppato per simulare la fessurazione trasversale dello strato a 90 gradi, possiamo simulare centinaia di fibre, " Ha detto Geubelle. "Il massimo che abbiamo fatto finora è vicino a 3, 000 fibre".

"Poiché la cricca si propaga principalmente lungo le interfacce fibra-matrice, il nostro modello enfatizza il fallimento coesivo di queste interfacce, " ha detto. "Inoltre, abbiamo sviluppato la capacità di estrarre in modo efficiente la sensibilità dell'evento di rottura rispetto alle proprietà della microstruttura inclusa la posizione e la dimensione delle fibre, e le proprietà di guasto delle interfacce fibra-matrice. Possiamo anche calcolare la sensibilità dell'evento di guasto rispetto ai parametri (media, deviazione standard, ecc.) che definiscono la distribuzione di questi parametri microstrutturali."

Il modello è convalidato rispetto alle osservazioni sperimentali eseguite nel gruppo della Prof.ssa Nancy Sottos nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'Università dell'Illinois.

"Certo, potresti ottenere queste sensibilità sperimentalmente, con ogni possibile variazione, per vedere qual è l'effetto sull'evento di guasto, "Geubelle ha detto. "Fare questo numericamente è molto più efficiente."

Lo studio, "Fallimento trasversale di compositi unidirezionali:sensibilità alle proprietà interfacciali, " Ingegneria computazionale integrata dei materiali .