1. Inicio
  2. Atrás
Título: Damage accumulation in composite materials subjected to thermal cycles in space environments
Autores: Ajaja, Jihane
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Mechanical
Descripción: Carbon fiber reinforced cyanate ester composites are of interest for space structural applications where not only specific strength and stiffness are required but also dimensional stability and resistance to microcracking. However, because those materials are relatively new, there is a lack of knowledge with respect to their thermal cycling behavior and the related damage mechanisms. This thesis focused on studying the microcracking behavior of a carbon reinforced cyanate ester composite in order to understand the conditions under which microcracking initiates, and it also investigates the impact of microcracking on mechanical behavior. We have investigated the performance of such composite for space applications, focusing on the accumulation of damage from extreme thermal and externally applied stresses. For this purpose we subjected a five-harness satin weave fabric in [0/45]s to micromechanical testing in three point bending, TMA, DMA and thermal cycling using a "fast dipping" method. Micromechanical testing in three-point bending, combined with in-situ imaging, were used to understand the cracking behavior of the material subjected to external mechanical loading. TMA and DMA were used to assess the materials' thermal and mechanical properties under thermal cycling. The variation of CTE under thermal cycling was assessed by TMA and degradation of modulus due to damage accumulation monitored using a three point bending fixture under cold cycling in the DMA. Extreme thermal cycling was carried out and the effect of cold and hot cycling evaluated by imaging the material and measuring its modulus before and after cycling. Finally, three theoretical models based on the thermoelastic theory were developed: (i) one considering the case of a fiber in an infinite matrix allowing to assess thermal stresses induced by thermal cycling, (ii) one considering the case of a fiber coated in an infinite matrix allowing to assess thermal stresses induced by thermal cycling and (iii) one model allowing to determine mechanical and thermal properties of plies oriented in different directions.
Les matériaux composites à base d'ester cyanate renforcés de fibres de carbone sont d'intérêt particulier pour les applications structurelles spatiales où non seulement les force et rigidité spécifiques sont requises mais aussi la stabilité dimensionnelle ainsi que la résistance à la microfissuration. Toutefois, puisque ces matériaux sont relativement nouveaux, il existe un manque significatif de connaissances quant à leur comportement face au cyclage thermique ainsi qu'au sujet des mécanismes d'endommagement reliés. Cette thèse rend compte des travaux de recherche effectués sur un matériau composite à base d'ester cyanate renforcés de fibres de carbone en ce qui attrait son comportement face à la microfissuration dans le but de comprendre les conditions sous lesquelles la microfissuration est initiée ainsi que les conséquences de cette dernière sur le comportement mécanique de ce matériau. Nous avons examiné la performance d'un tel matériau à des fins d'applications spatiales en mettant l'emphase sur l'accumulation du dommage engendré par l'application de stresses extrêmes thermique et externes. Dans ce cadre d'idées, nous avons soumis un laminé composite en tissu satiné tissé en 5-harnais superposé en [0/45]s, à des tests micromécaniques de flexion en trois points, TMA, DMA ainsi qu'à du cyclage thermique en utilisant une méthode dites de « trempe ». Les tests micromécaniques de flexion en trois points combinés à de l'imagerie in-situ ont été utilisés afin de comprendre le comportement de microfissuration du matériau soumis à des contraintes mécaniques externes. Les tests de TMA et DMA quant à eux ont été utilisés afin d'évaluer les propriétés thermiques et mécaniques du matériau assujetti à du cyclage thermique. La variation du coefficient de dilatation thermique (CDT) fut évaluée par TMA et la dégradation du module d'élasticité par DMA à l'aide d'un système de flexion en trois points sous cyclage à froid. Des tests de cyclage thermique extrêmes ont été menés et l'effet des cyclages à froid ainsi qu'à chaud évalués par imagerie et par mesure du module d'élasticité avant et après cyclage. Finalement, trois modèles fondés sur les principes de thermoélasticité ont été développés : (i) un modèle considérant le cas d'une fibre dans une matrice infinie permettant d'évaluer les stress thermiques induits par cyclage thermique, (ii) un modèle considérant une fibre enrobée dans une matrice infinie permettant d'évaluer les stress thermiques induits par cyclage thermique et (iii) un modèle permettant de déterminer les propriétés mécaniques et thermiques des plis orientés dans différentes directions.
Idioma: en