Os compósitos reforçados com fibras são amplamente usados ​​na indústria aeroespacial e em outras indústrias de alta tecnologia. Entender como sua microestrutura e a resistência das interfaces fibra-matriz afetam suas propriedades de falha pode levar à fabricação de materiais mais fortes. Um estudo recente da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign desenvolveu um modelo para identificar as sensibilidades de rachaduras transversais, um dos principais processos de falha presentes em laminados compostos, em detalhes da microestrutura composta.

Laminados compostos usados ​​em aplicações aeroespaciais são normalmente feitos de camadas de fibras de carbono com orientações variadas embutidas em epóxi. Por exemplo, o laminado composto pode ser composto de uma camada de carbono / epóxi com as fibras orientadas na direção de 90 graus imprensada entre duas camadas de 0 graus. As fibras têm cerca de sete mícrons de diâmetro, ou cerca de um sétimo da espessura de um cabelo humano.

"Sabemos, por meio de experimentos, que as rachaduras se propagam transversalmente no plano de 90 graus, em seguida, pare quando atingirem as interfaces com as camadas de 0 graus. Então, desenvolvemos um método que nos permite simular centenas de fibras em um sistema realista e estudar como a resposta à falha é afetada se mudarmos a localização de uma única fibra ou de muitas fibras, ou a força da interface, "disse Philippe Geubelle, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial.

Neste novo método, micrografias ópticas são tiradas da camada de 90 graus e a localização de todas as fibras são extraídas para construir um modelo computacional realista da camada. Estudos semelhantes foram limitados a dezenas de fibras.

"Com o método de elemento finito especial que desenvolvemos para simular a fissuração transversal da camada de 90 graus, podemos simular centenas de fibras, "Geubelle disse." O máximo que fizemos até agora está perto de 3, 000 fibras. "

"Como a rachadura se propaga principalmente ao longo das interfaces de matriz de fibra, nosso modelo enfatiza a falha coesiva dessas interfaces, "disse ele." Além disso, desenvolvemos a capacidade de extrair de forma eficiente a sensibilidade do evento de falha no que diz respeito às propriedades da microestrutura, incluindo a localização e o tamanho das fibras, e as propriedades de falha das interfaces fibra-matriz. Também podemos calcular a sensibilidade do evento de falha em relação aos parâmetros (média, desvio padrão, etc.) que definem a distribuição desses parâmetros microestruturais. "

O modelo é validado contra observações experimentais realizadas no grupo da Prof. Nancy Sottos no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Illinois.

"Claro, você poderia obter essas sensibilidades experimentalmente, com todas as variações concebíveis, para ver qual é o efeito no evento de falha, "Geubelle disse." Fazer isso numericamente é muito mais eficiente. "

O estudo, "Falha transversal de compostos unidirecionais:sensibilidade às propriedades interfaciais, " Engenharia Integrada de Materiais Computacionais .