Los compuestos reforzados con fibra se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial y otras industrias de alta tecnología. Comprender cómo su microestructura y la resistencia de las interfaces fibra-matriz afectan sus propiedades de falla puede conducir a la fabricación de materiales más resistentes. Un estudio reciente de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desarrolló un modelo para identificar las sensibilidades del agrietamiento transversal, uno de los procesos de falla clave presentes en los laminados compuestos, sobre los detalles de la microestructura compuesta.

Los laminados compuestos utilizados en aplicaciones aeroespaciales suelen estar hechos de capas de fibras de carbono con diferentes orientaciones incrustadas en epoxi. Por ejemplo, el laminado compuesto puede estar compuesto por una capa de carbono / epoxi con las fibras orientadas en la dirección de 90 grados intercaladas entre dos capas de 0 grados. Cada una de las fibras tiene aproximadamente siete micrones de diámetro, o aproximadamente una séptima parte del grosor de un cabello humano.

"Sabemos por experimentos que las grietas se propagan transversalmente a través del plano de 90 grados, luego deténgase cuando alcancen las interfaces con las capas de 0 grados. Así que desarrollamos un método que nos permite simular cientos de fibras en un sistema realista y estudiar cómo se ve afectada la respuesta al fallo si cambiamos la ubicación de una sola fibra o de muchas fibras, o la fuerza de la interfaz, "dijo Philippe Geubelle, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial.

En este nuevo método, Se toman micrografías ópticas de la capa de 90 grados y se extrae la ubicación de todas las fibras para construir un modelo computacional realista de la capa. Estudios similares se han limitado a decenas de fibras.

"Con el método especial de elementos finitos que hemos desarrollado para simular el agrietamiento transversal de la capa de 90 grados, podemos simular cientos de fibras, ", Dijo Geubelle." Lo máximo que hemos hecho hasta ahora es cerca de 3, 000 fibras ".

"Debido a que la grieta se propaga principalmente a lo largo de las interfaces fibra-matriz, nuestro modelo enfatiza el fallo cohesivo de estas interfaces, ", dijo." Además, Hemos desarrollado la capacidad de extraer de manera eficiente la sensibilidad del evento de falla con respecto a las propiedades de la microestructura, incluida la ubicación y el tamaño de las fibras, y las propiedades de falla de las interfaces fibra-matriz. También podemos calcular la sensibilidad del evento de falla con respecto a los parámetros (promedio, Desviación Estándar, etc.) que definen la distribución de estos parámetros microestructurales ".

El modelo está validado frente a observaciones experimentales realizadas en el grupo de la profesora Nancy Sottos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Illinois.

"Por supuesto, podría obtener estas sensibilidades de forma experimental, con todas las variaciones imaginables, para ver cuál es el efecto en el evento de falla, "Dijo Geubelle." Hacer esto numéricamente es mucho más eficiente ".

El estudio, "Fallo transversal de compuestos unidireccionales:sensibilidad a las propiedades interfaciales, " Ingeniería de Materiales Computacionales Integrada .