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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.18.2015.tde-06072015-064313
Document
Author
Full name
Carlos Eduardo Gomes de Castro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2015
Supervisor
Committee
Tarpani, José Ricardo (President)
Donadon, Maurício Vicente
Souza, José Alexandrino de
Title in Portuguese
Caracterização mecânica e análise de falha de juntas termoplásticas soldadas e termorrígidas coladas de laminados compósitos de grau aeronáutico
Keywords in Portuguese
Análise de falha
Junta compósita
Laminado compósito polimérico
Reforço fibroso
Soldagem por resistência elétrica
Abstract in Portuguese
Este trabalho objetivou a caracterização mecânica e a análise de falha de dois tipos de juntas compósitas através de ensaios mecânicos, em que uma das juntas era composta por dois laminados de fibras de carbono recoberto em ambas as faces por tecido de fibra de vidro reforçando uma matriz termoplástica (PPS-C) unidos via soldagem por resistência elétrica, e a outra confeccionada com dois laminados de fibras de carbono reforçando uma matriz de resina epóxi (EPX-C) unidos via colagem por filme de resina epoxídica. Os dois tipos de juntas foram submetidos a impacto único transversal de 10 J, condicionamento higrotérmico, além de carregamento em fadiga compressiva no plano nas mais diversas combinações destes processos degradativos de suas propriedades mecânicas. Observou-se, que a junta termorrígida colada de EPX-C apresentou a maior resistência mecânica em flexão em quatro pontos (F4P) na condição original (como-manufaturada), assim como os maiores valores de resistência residual para as várias condições de degradação mecânica e higrotérmica a que foi submetida. Por sua vez, a junta termoplástica soldada de PPS-C exibiu, em termos percentuais, menores reduções dos valores de resistência à flexão sob as condições avaliadas, relativamente às perdas apresentadas pela junta EPX-C em idênticas circunstâncias. A análise macroscópica da superfície de fratura de ambas as juntas indicou que o modo de falha predominante da junta termorrígida foi interfacial enquanto que, para a junta PPS-C, o modo de falha predominante foi o intralaminar. Análises fratográficas através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) evidenciaram para a junta termorrígida EPX-C, uma alta adesão entre fibra/matriz, porém uma relativamente fraca interação entre os aderentes (laminado) e o filme adesivo de colagem, enquanto que, para a junta termoplástica PPS-C, reduzidas interações fibra/matriz forem inferidas na camada externa de PPS-V do aderente assim como entre a malha metálica resistiva e os filmes puros de PPS que a revestiam. Em ensaios de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS), os espécimes retirados da junta EPX-C na condição virgem evidenciaram uma colagem uniforme/homogênea, enquanto que, para a junta PPS-C, os espécimes de ensaio usinados a partir da junta virgem indicaram a ocorrência de efeitos de degradação térmica altamente localizada nas bordas soldadas.
Title in English
Mechanical characterization and failure analysis of thermoplastic welded and thermosetting bonded single-lap joints of aeronautical composite laminates
Keywords in English
Adhesive-bonding
Composite lap joint
Failure analysis
Fibrous polymer matrix composite
Resistance-welding
Abstract in English
This study aimed to mechanical characterization and failure analysis of two kinds of composite single-lap joints by mechanical tests, in which a single-lap joint was made of two adherents of carbon fibers coated on both sides with glass fiber fabric reinforcing a thermoplastic matrix (PPS-C) welded via resistance welding, and the another type made of two adherents of carbon fibers reinforcing an epoxy matrix (EPX-C) bonded by epoxy adhesive film. The two types of single-lap joints were subjected to single transverse impact of 10 J, hygrothermal conditioning, and compressive fatigue loading in the plane in various combinations of these degradative processes of mechanical properties. It was observed that the thermosetting bonded joint EPX-C showed the highest strength in four point-flexure test in the original condition (as-manufactured), as well as greater residual strength values for the various conditions of mechanical and hygrothermal degradation which was subjected. In turn, the welded thermoplastic joint PPS-C exhibited, in percentage terms, smaller reductions in flexural strength values under the tested conditions, in respect of losses showed by EPX-C in similar circumstances. Macroscopic analysis of the fracture surfaces from both joints indicated that the predominant failure mode was interfacial to thermosetting while for PPS-C joint, the predominant failure mode was intralaminar. Analysis of fracture surfaces by scanning electron microscopy (SEM) showed, for thermosetting joints EPX-C, a high adhesion between fiber/matrix, but a relatively weak interaction between adherents and the bonding adhesive film, whereas for thermoplastic joint PPS-C, reduced interactions fiber/matrix are inferred in the outer layers of PPS-V and between metal mesh and the pure PPS films that coated it. In the interlaminar shear strength tests (ILSS), the specimens removed from the EPX-C joint in the pristine condition showed a uniform/homogeneous bonding along the joint area, while for PPS-C joint, coupons extracted from pristine condition joint indicated the occurrence of degradation caused by thermal effects localized in the welded edges.
 
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Publishing Date
2015-07-14
 
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