Characterization of the fiber-matrix interface fracture properties in long fiber composites
Caractérisation des propriétés à rupture de l'interface fibre-matrice dans les composites à fibres longues
Résumé
Fiber-matrix interface in long fiber composite is a key aspect of global composite mechanical properties since it drives damage initiation and load transfer. Fiber-matrix interface debonding is usually the first type of damage that occurs when the composite is subjected to transverse loading. After initiation, the interface debonding propagates and often kinks into the matrix, leading to further critical defects for the structure. As a result, it is crucial to accurately characterize the fiber-matrix interface in order to prevent or control damage in composites. Going beyond existing experimental methods currently focused on interface shear fracture properties, single-fiber microcomposite tensile sample loaded transversely are developed to simultaneously characterize opening and shear fracture properties. An accurate experimental characterization of the fiber-matrix debonding process allowed the identification of the interface fracture properties using adequate 2D and 3D numerical approaches and related fracture models such as the Coupled Criterion (CC) and Cohesive Zone Models (CZM). Both the CC and the CZM are able to reproduce the experimentally observed debonding process in 2D, the 3D model being able to describe the free surface singularity. In 3D, the fracture property identification yields tensile strengths and critical energy release rates respectively slightly higher and in the same order of magnitude than those identified in 2D. The 3D model does not enable identifying the shear fracture properties, unlike in 2D. In 2D the optimal initiation crack shapes correspond to i) the stress isocontours for small brittleness numbers, ii) the energy-based shapes for large brittleness numbers and iii) neither of them for intermediate brittleness numbers. The 2D stress isocontours-based debonding shapes provide an accurate estimate of the initiation loading. In 3D, the optimum initiation crack always corresponds to energy-based debonding shapes and the 3D stress isocontours-based debonding shapes may thus overestimate the initiation loading by up to 30%.
L'interface fibre-matrice dans les composites à fibres longues est un aspect clé des propriétés mécaniques du composite car elle détermine le transfert des sollicitations entre le renfort et la matrice. La décohésion fibre-matrice est généralement le premier type d'endommagement qui se produit lorsque le composite est soumis à un chargement transversal. Une fois amorcée, la décohésion se propage à l'interface puis dévie dans la matrice, entraînant d'autres défauts critiques pour la structure. Il est donc crucial de caractériser avec précision l'interface fibre-matrice afin de prévenir ou de contrôler le processus d’endommagements du composite. Allant au-delà des méthodes expérimentales actuelles axées sur les propriétés à rupture par cisaillement de l'interface, des échantillons micro-composites à fibre unique chargés transversalement sont étudiés pour caractériser simultanément les propriétés à rupture en traction et en cisaillement. Une caractérisation expérimentale précise du processus de décohésion fibre-matrice a permis d'identifier les propriétés à rupture de l'interface à l'aide de modèles numériques 2D et 3D adéquats et d’approches de rupture connexes telles que le Critère Couplé (CC) et les Modèles de Zone Cohésive (MZC). Le CC et les MZC sont tous deux capables de reproduire, en 2D, le processus de décohésion observé expérimentalement, le modèle 3D étant en plus capable de décrire la singularité au bord libre. En 3D, l'identification des propriétés de rupture donne des résistances à la traction et des taux de restitution d'énergie critique respectivement légèrement plus élevés et du même ordre de grandeur que ceux identifiés en 2D. Le modèle 3D ne permet pas d'identifier les propriétés à rupture de cisaillement, contrairement au modèle 2D. En 2D, les formes optimales de décohésion à l’amorçage correspondent i) aux isovaleurs de contrainte pour les petits indices de fragilité, ii) aux formes basées sur l'énergie pour les grands indices de fragilité et iii) à aucune des deux pour les indices de fragilité intermédiaires. En 2D, les formes de décohésion basées sur les isovaleurs de contrainte fournissent une estimation précise du chargement à l'amorçage. En 3D, la configuration optimale à l’amorçage correspond toujours aux formes de décohésion basées sur l'énergie et celles basées sur les isovaleurs de contrainte et peuvent surestimer le chargement à l’amorçage jusqu'à 30 %.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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